上海申弘阀门有限公司
1、前言
为了满足我国对石油、天然气需求的持续增长，在未来一段时间里，每年将兴建几千公里的大型长输管线，包括增压站、分输站、大型储备库等油气储运项目。由于石油、天然气易燃易爆的特殊性，对大型油气储运项目工程的质量要求十分严格，对用于这些项目的管线球阀提出除了满足API6D规范要求外，还要求阀门制造商提供第三方的防火认证，确保阀门的结构是安全防火型的。目前，我国阀门制造商取得的防火证，大多是国外认证公司(如Lloyds'，TUV，ABS等)颁发，也有一部分是认证公司下设的检验公司颁发。部分阀门制造商将准备好的被试样品送至认证公司火烧试验台进行火烧试验，产品的泄漏量达到API6FA或API607标准规定的范围，就颁发防火证书，被试样品的结构与提供发证备案的总装图是否一致没有明确规定，被试样品的来源没有明确的确认，火烧试验台是否具有供第三方认证试验所具备的资质条件含糊其辞。这样有些制造商虽取得了防火证，但实际生产的产品是否是真正安全防火型，难以另人信服。项目设计单位、业主工程技术部门对国内一些球阀制造商生产的管线球阀能否安全防火常有质疑。
管线球阀是固定球结构形式，上游端密封为主密封，具有DBB功能，在密封完好的情况下，阀门在全开或全关状态下，可以通过中腔排污口或放空口来观察上游阀座是否存在泄漏。管线球阀在正常使用下，中腔不带压。在火灾事故时，设计合理的阀座防火结构，能够减缓上游压力介质进入中腔的进度，避免因中腔升压而引起介质外漏和内漏。具有良好的防火结构设计的阀座，是保证管线球阀具有安全防火性能的主动措施。管线球阀的防火结构设计中，阀座防火结构的设计是关键，阀座的防火性能良好，在火灾事故状态下，可减轻阀杆防火结构、阀体与左右体之间防火结构设计的压力。本文重点分析管线球阀在火灾时发生泄漏的原因，对阀门的防火结构进行探讨。球阀主要用于接通或阻断管路介质，尤以用在要求迅速开闭的部位更佳，如应急卸荷等处。由于其具有结构简单，零件少，重量轻，密封性能好等优点，应用日趋广泛。结构：主要由阀体、阀盖、密封阀座、球体和阀杆等组成。带孔的球体是球阀的问芯，球体受阀杆的转动来控制启闭，旋转即是全程的开关。球阀可分为浮动球阀和固定球阀两大类。浮动球阀的特点是球体可以自由浮动。根据密封座结构不同又分为固定密封座和带活动密封座两种。固定密封阀座的浮动球阀，结构如图所示，在阀体内装有两个氟塑制成的固定密封阀座，在两间座之间夹紧一个由碳钢或不锈钢制成的浮动球，球体上有圆形通孔，开后时，通道打开；当阀杆转动时，球孔垂直于阀门的通道，靠介质的压力将球体紧压在后面的阀座上，保证阀门的密封。
球阀的主要选用原则
1、石油、天然气的输送主管线、需要清扫管线的，又需埋设在地下的，选用全通径、全焊接结构的球阀；埋设在地上的，选择全通径焊接连接或法兰连接的球阀；支管，选用法兰连接、焊接连接，全通径或缩径的球阀。
2、成品油的输送管线和贮存设备，选用法兰连接的球阀。
3、城市煤气和天然气的管路上，选用法兰连接和内螺纹连接的浮动球阀。
4、冶金系统中的氧气管路系统中，宜选用经过严格脱脂处理，法兰连接的固定球球阀。
5、低温介质的管路系统和装置上，宜选用加上阀盖的低温球阀。
6、炼油装置的催化裂化装置的管路系统上，可选用升降杆式球阀。
7、化工系统的酸碱等腐蚀性介质的装置和管路系统中，宜选用奥氏体不锈钢制造的、聚四氟乙烯为阀座密封圈的全不锈钢球阀。
8、冶金系统、电力系统、石化装置、城市供热系统中的高温介质的管路系统或装置上，可选用金属对金属密封球阀。
9、需要进行流量调节时，可选用蜗轮蜗杆传动的、气动或电动的带V形开口的调节球阀。
球阀的优点
1、具有低的流阻（实际上为零）。
2、因在工作时不会卡住（在无润滑剂时），故能可靠地应用与腐蚀性介质和低沸点液体中。
3、在较大地压力和温度范围内，能实现*密封。
4、可实现快速启闭，某些结构的启闭时间仅为0.05～0.1s，以保证能用于试验台的自动化系统中。快速启闭阀门时，操作无冲击。
5、球型关闭件能在位置上自动定位。
6、工作介质在双面上密封可靠。
7、在全开和全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，因此高速通过阀门的介质不会引起密封面的侵蚀。
8、结构紧凑、重量轻，可以认为它时用于低温介质系统的合理的阀门结构。
9、阀体对称，尤其是焊接阀体结构，能很好地承受来自管道的应力。
10、关闭件能承受关闭时的高压差。
11、全焊接阀体的球阀，可以直埋于地下，使阀门内件不受侵蚀，高使用寿命可达30年，是石油、天然气管线的阀门。
由于球阀有上述优点，所以适用范围很广，球阀可适用于：
1、公称通径从8mm到1200mm。
2、公称压力从真空到42MPa。
3、工作温度从-204度~815度。
密封优点
球阀主要的阀座密封圈材料就是聚四氟乙烯（PTFE），它对几乎所有的化学物质都是惰性的，且具有摩擦系数小、性能稳定、不易老化、温度适用范围广和密封性能优良的综合性特点。但聚四氟乙烯的物理特性，包括较高的膨胀系数，对冷流的敏感性和不良的热传导性，要求阀座密封的设计必须围绕这些特性进行。阀座密封的塑性材料也包括填充聚四氟乙烯、尼龙和其他许多材料。但是，当密封材料变硬时，密封的可靠性就要受到破坏，特别是在低压差的情况下。上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,波纹管减压阀,活塞式减压阀,蒸汽减压阀,先导式减压阀,空气减压阀,氮气减压阀,水用减压阀,自力式减压阀,比例减压阀)、安全阀、保温阀、低温阀、球阀、截止阀、闸阀、止回阀、蝶阀、过滤器、放料阀、隔膜阀、旋塞阀、柱塞阀、平衡阀、调节阀、疏水阀、管夹阀、排污阀、排气阀、排泥阀、气动阀门、电动阀门、高压阀门、中压阀门、低压阀门、水力控制阀、真空阀门、衬胶阀门、衬氟阀门。此外，像丁青橡胶这样的合成橡胶也可用作阀座密封材料，但它所适用的介质和使用的温度范围药受到限制。另外，如果介质不润滑，使用合成橡胶容易卡住球体。为了满足高温、高压、强冲蚀、长寿命等工业应用的使用要求，近十几年来，金属密封球阀得到了很大的发展。尤其在工业发达的国家，如美国、意大利、德国、戏班也、荷兰等，对球阀的结构不断改进，出现全焊接阀体直埋式球阀、升降式球阀、使球阀在长输管线、炼油装置等工业领域的应用越来越广泛，出现了大口径（3050mm）、高压力（70MPa）、宽温度范围（－196～815度）的球阀，从而使球阀的技术达到一个全新的水平。
2、阀座防火结构设计的目的
阀座防火结构设计的目的为：
(1)有效保证在火灾事故时，上游压力介质尽可能少的通过阀座流入阀体中腔，从而引起内漏和外漏。保证在消防队员到达事故现场之前，不因阀门使火灾事故扩大;在消防队员到现场后，利用消防设备能够快速压住火势，消除火灾事故。
(2)真正使产品的结构符合API6D规范的要求。使产品能通过火烧试验，取得防火证书。
3、阀座防火结构设计
在金属阀座圈与阀体间设置石墨防火密封环；在金属阀座圈与球体间设置防火金属密封。结构如图1、2所示。
管线球阀阀座防火结构分析
图1 橡胶密封阀座结构
管线球阀阀座防火结构分析
图2 塑料密封阀座结构
火灾后，所有橡胶件和塑料件的密封将失效，失火后的密封功能由石墨防火密封环和球座防火金属密封实现。火灾前和火灾后的密封对照如图3、4所示。
管线球阀阀座防火结构分析
(a)正常密封状态
管线球阀阀座防火结构分析
(b)火灾后密封状态
图3 橡胶密封阀火灾发生前后密封对比
管线球阀阀座防火结构分析
(a)正常密封状态
管线球阀阀座防火结构分析
(b)火灾后阀座密封状态
图4 塑料密封封火灾前后阀座密封对比
4、阀座火灾后泄漏原因分析
球阀阀座在正常情况下密封应无泄漏。在火灾情况下，无论是橡胶密封阀座，还是塑料密封阀座所有橡胶件和塑料件密封性能失效，阀座将发生泄漏，此时，阀座防火结构设计的优劣，直接影响阀门的防火性能。阀座泄漏途径越少，泄漏量越少，阀门的防火性能越好。阀座泄漏途径一般有3种情况：
(1)泄漏途径1
阀座密封圈失效后，介质通过阀座与球体之间的通道发生泄漏，如图5所示。(2)泄漏途径2
活塞效应密封圈失效后，介质通过阀座注脂孔，在阀座与阀体之间的通道发生泄漏，如图6所示。
管线球阀阀座防火结构分析
(a)橡胶密封阀座
管线球阀阀座防火结构分析
(b)塑料密封阀座
图6 活塞效应密封圈失效后泄漏示意
(3)泄露途径3
活塞效应密封圈和挡脂密封圈失效后，介质直接通过阀座与阀体之间的通道发生泄漏，如图7所示。
管线球阀阀座防火结构分析
(a)橡胶密封阀座
管线球阀阀座防火结构分析
(b)塑料密封阀座
图7 活塞效应密封圈和挡脂密封圈失效后泄漏示意
由以上分析可看出，阀座泄漏主要存在于阀座与阀体、阀座与球体之间，如何减少阀座泄漏途径，成为阀座防火结构设计的关键。
阀座防火结构设计原理是：在火灾后，阀座的泄漏途径越少，阀门的防火功能越好，防火结构设计越合理;设计时在泄漏通道处分别设置石墨防火密封环和防火金属密封的同时，石墨防火密封环的设置位置也至关重要。
设计不合理的防火石墨圈，仍不能有效改善阀门的防火功能，如图8所示，石墨防火密封圈设置在阀座的尾部。虽然设置了石墨防火密封圈，但在活塞效应密封圈和阀座密封圈失效后，介质仍可以通过阀座注脂孔在阀座与阀体之间通道发生泄漏，如图6所示。
管线球阀阀座防火结构分析
图8 设计不合理的阀座防火结构示意
5、典型阀座防火结构
目前国外专业管线球阀公司生产的球阀常见典型阀座结构设计如图9～12所示，各阀座结构防火结构设计均较为合理，能够保证阀座活塞效应密封圈和阀座密封圈失效后，阀座泄漏途径少。
管线球阀阀座防火结构分析
图9 橡胶密封阀座1
管线球阀阀座防火结构分析
图10 橡胶密封阀座2
管线球阀阀座防火结构分析
图11 橡胶与塑料组合密封阀座
管线球阀阀座防火结构分析
图12 塑料密封阀座
国内球阀公司由于各厂球阀的技术水平、制造水平及工程实际经验的差异，阀座的防火结构设计水平参差不齐，有的公司阀座无防火结构设计或防火结构设计不合理，专业的球阀制造厂阀座防火结构设计与国外公司基本上无差别。
6、结语
合理的阀座防火结构设计，可以保证上游压力介质通过阀座泄漏的途径少，防火性能。在管线球阀的防火结构设计时，应重点关注阀座的防火结构设计。合理的阀座防火结构是管线球阀在实际工程中具有安全防火的根本保证，考核防火结构的合理性应严格按照API6FA/API607的规范进行火烧试验，考核的样品不应是制造商的送样，应是验证机构的随机抽样，这样才能保证第三方认证的合理性和公证性。 与本文相关的论文有：五阳煤矿应用阀门案例
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