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API6D与API608对球阀要求的分析
2019-8-14 16:01 中国泵阀第一网 作者:佚名 点击:1485
【中国泵阀第一网 行业论文】结合工程实践经验,明晰API6D管道球阀与API608球阀在结构设计、性能要求、试验方法等方面的区别与联系,使API球阀相关方能够理解和适应相应产品标准的规定和要求。

API 6D与API 608对球阀要求的分析

张绍华 刘建峰 叶志烜 宋忠荣

合肥通用机械研究

摘要:

结合工程实践经验, 明晰API 6D管道球阀与API 608球阀在结构设计、性能要求、试验方法等方面的区别与联系, 使API球阀相关方能够理解和适应相应产品标准的规定和要求。

关键词:

API 608; API 6D; 球阀; 长输管道; 工艺管道; 要求分析;

0 引言

关于球阀产品,美国石油协会有API 6D《管道及管线阀门规范》和API 608《法兰、螺纹和焊连接的金属球阀》2个标准规范,这2个标准对球阀产品都作出了详细的规定和要求。本文对API 6D与API 608中关于球阀的规定和要求进行初步解读,并结合工程实践,明晰API 6D球阀与API 608在结构设计、性能要求、试验方法等方面的区别与联系,使API球阀业主、制造厂、监理方等相关方能够理解和适应相应产品标准的规定和要求。

1 API 6D与API 608的关系

API 6D球阀使用在石油和天然气工业管道系统,包括长输油气管线及各级汇集管线,相当于站区外运输,包括ASME B31.4和B31.8管道,口径范围NPS (4~60),以大口径居多,95%以上均为10英寸以上,压力等级有150, 300, 400, 600, 900, 1500, 2500磅,一般为固定球结构,进口端密封。API 608球阀使用在石油、石油化工及工业应用上, 主要用于ASME B31.3工艺管道,口径范围NPS (1/4~24),大都口径较小,压力等级有150, 300, 600, 800磅,一般为浮动球结构,出口端密封。

API 608是在ASME B16.34《法兰、螺纹和焊连接的阀门》规定的要求外附加设计、操作和性能的要求,面向一般工业用户。由于长输管道工程的特殊性,美国石油学会制定了API 6D《管道及管线阀门规范》标准,明示了API 6D的球阀与API608的球阀在结构与功能等方面的区别。

API 6D与API 608球阀根据所使用的工况和需求不同,各有其特点,共同构成了石油化工领域完整的球阀规范。结合工程实践,对2个球阀标准, 进行初步解读和分析。

2 球阀要求分析

2.1 结构与功能要求

球阀按球体结构分为浮动球球阀和固定球球阀。浮动球球阀典型结构如图1所示。其球体无支撑轴,球体由阀门进、出口两端的阀座予以支撑。阀杆与球体为活动连接。阀门关闭时,球体在介质压力的作用下,被推向阀门出口端阀座,使之压紧并密封。这种球阀为出口端(阀后)密封,具有结构简单、制造方便、成本低廉、工作可靠等特点,在工艺管道上得到了广泛应用。

固定球球阀支撑板结构如图2所示。其球体由固定到阀体上的支撑板所支撑,阀座是活塞效应阀座。在介质压力的作用下,阀座向球体靠近,使阀座密封圈紧压在球体上,产生密封比压,以达到密封介质。阀前介质压力在球体上所产生的作用力全部传递给轴承,不会使球体向阀后阀座移动,因而阀座不会承受过大的压力。这种球阀为进口端(阀前)密封,具有开启转矩小,密封性能稳定等特点,适用于长输管线高压、大口径的场合。

API 608球阀用于石化行业工艺管道,功能为接通或截断介质,操作工况经常是高温高压、有毒有害、易燃易爆、腐蚀性及连续作业,对阀门的密封、材料、防腐等方面提出了高的要求。API 608球阀有固定球结构和浮动球结构,一般采用浮动球结构。

图1 浮动球球阀

图1 浮动球球阀

API 6D球阀用于长输管线,因长输管线的特殊性,球阀除了接通或截断介质功能外,还须具有排污、放空、超压泄放、注脂和在线检漏等功能。API 6D球阀都采用固定球结构。

图2 固定球球

图2 固定球球阀

API 6D管线球阀的排污、放空功能: (1) 阀门出厂试验时,验证阀座的密封性; (2) 管线投产前,排空阀腔内污物; (3) 投运时,在线检査阀座的密封性; (4) 抢修时,代替管线上的排污与放空。

为了保证抢修施工的安全,减少对环境的影响,降低放空代价,管线球阀的排污放空尤为重要,必须严格按API 6D规范要求设计排污放空,满足规范中对排污口、放空口的尺寸规定。具有排污、放空功能的球阀阀座,每个阀座均能承受外侧的全压差(DBB功能),隔绝上、下游介质,实现安全排污、放空。

API 6D管线球阀除了排污、放空功能外,还应具备中腔超压泄放功能,可利用DIB-2功能的阀座将超压释放到阀座外侧或者阀体另接安全泄压装置。为提高球阀的密封性能,也可使单个阀座分别承受住每一侧的全压差(DIB-1)。当上游阀座密封失效时,下游阀座仍能可靠密封。

实现排污、放空、超压泄放功能,提高密封可靠性,API 6D管线球阀设计成活塞效应的阀座。阀座活塞效应原理如图3所示。面积差(A2-A1=△A)产生的作用力推动阀座向球体运动,形成密封。

图3 阀座活塞效应

图3 阀座活塞效应

活塞效应分单活塞效应和双活塞效应。单活塞效应的阀座只能对单个方向的介质起密封作用。双活塞效应阀座对正向流体和反向流体均能起密封作用。通过单活塞效应阀座和双活塞效应阀座的不同组合,实现DBB, DIB-1和DIB-2功能,见图4。

API 6D管线球阀除了充分考虑阀座结构外,还应考虑其他结构设计或材料选择以保证阀门的密封性能,如采用储物空间大的阀体结构、增加阀体内腔直径等措施,避免管道内沙石等硬物长时间停留在阀座与球体间的腔体,有效防止对阀座和球体的损伤。此外,采用橡胶材料的活塞效应阀座密封圈,对管道内硬物的适应性较好,避免密封圈永久损伤而使密封失效。

2.2 检验与试验要求

API 608规定球阀的检查、检验和压力试验按照API 598《阀门的检查和试验》进行。作为ASME B16.34《法兰、螺纹和焊连接的阀门》的补充规范,API 608球阀也应完全满足ASME B16.34的检验与试验要求。ASME B16.34和API 598是针对通用阀门提出的规范,属于必须满足的最低要求。

图4 活塞效应阀座的组合

图4 活塞效应阀座的组合

API 6D规范针对管线阀门的具体情况,对检验和试验进行了详细的规定,较ASME B16.34和API 598要求更严,如压力持续时间更长、试压项目更多、操作程序更复杂。进行密封试验时,API 608球阀通常采用一端加压、观察另一端阀座的方式检测密封,而API 6D球阀则通过一端加压、从中腔进行密封检测。

在最新的2014版本中增加了质量规范等级QSL的要求。QSL等级包括了对无损检测(NDE)、压力试验及制造程序文件的详细要求。按照质量规范等级QSL的不同,API 6D球阀需进行的检验与试验项目及范围也有所不同,QSL等级要求的严格程度随QSL等级数递增。QSL-1级是API 6D规定的最低质量规范等级,当买方认为有必要时,可规定球阀应符合QSL-(2~4)质量规范等级。当买方规定任一QSL等级时,应提供全部QSL等级的详细要求。新版API 6D中QSL质量规范等级的提出,意味着管线球阀的质量要求进一步提高,并作了统一的规范。针对API 6D-2014新增的质量规范等级的要求,买卖双方应仔细研究各质量规范等级之间的区别和联系,以便更好地为管道工程提供合适的球阀产品。

2.3 安全性和可靠性的要求

API 608球阀用于工艺管道,开关操作频繁,寿命短,加上口径不大,更换较容易。而API 6D球阀用于长输油气管线,口径大,输送介质压力高、易燃、易爆,加之长输管线一般流经地理环境复杂,气候恶劣,环境温度变化范围大的区域,且管线投资巨大,投入运行后,要求长期连续运行。管线正常运行时,球阀是开启的,但一旦出现故障需要关闭时,阀门必须快速可靠关闭。另外API 6D球阀因口径大、埋地安装、与管道焊接连接等因素,更换比较困难,而且一旦抢修,费用高昂。因此,长输管线API 6D球阀比API 608球阀要求有更高的安全可靠性、密封性和强度,以确保长输管线长期安全可靠运行。

目前在长输管线阀门的招标和采购过程中,业主针对管线阀门如何适应长输管线工况,如何保证长寿命等提出的技术要求不够明晰,没有提出具体要求,如只提30年寿命,给供应商留下了空间,只有一纸承诺,其他与普通阀门无差别。在今后关于安全性和可靠性方面,业主应对供应商提出严格具体的技术要求,并要求给出切实可行的控制措施。

2.4 安装维护要求

API 608球阀属于工艺管道球阀,一般在厂内就可完成安装,施工地点平整,贮存转运方便,安装时间集中,施工环境较好,且一般管道及配件的架设及安装都具有支承结构,阀门的受力条件较好。

API 6D管线球阀因为安装在长输管线上,大多在野外露天,部分在阀室。长输管道工程少则几十公里,多则上千公里,管线跨度长,施工地分布广,管道埋地,翻山越岭,穿江过河,施工环境特别恶劣,管道内残留沙石、泥土不可避免,管道的建设至投产周期较长,管道附加应力、外部载荷等影响因素不可忽略,再加上施工人员的素质参差不齐,这些对阀门性能的影响难以避免,最终质量不好控制。

API 6D管线球阀安装时,有时存在施工人员责任心不强、施工现场保护不到位、不按照程序进行安装调试等情况,管道内的沙石、泥土、施工垃圾等没有清理或者没有清理干净,沙石、泥土等进入阀腔,焊接飞溅物粘接在球面或阀座,造成密封副损坏,阀体与阀座接触的内腔表面锈蚀,泥土结垢,阀座卡死,直接影响阀门的密封性能。因此现场阀门安装时必须严格按照施工工艺进行。

管线球阀投运后,长期处于开启状态,但又必须具备高可靠性,因此需要加强管线球阀的日常维护工作。对于球阀阀座的养护,要适当的注入润滑油,其注入量结合球阀的使用状况和使用频率,这样既可以保障其密封性,又可以防止杂质的进入,同时避免球体和阀座胶合,防止球体活动时干磨,保护阀座和球体,对于管线球阀的正常运行有明显的作用。

2.5 事故状态的处理措施

API608球阀发生故障造成的影响通常局限在本厂及周边附近,一般事故情况可自行处置,社会影响可控。而API6D长输管线球阀一旦发生故障,对整条长输管线的运行造成巨大的影响,难以自行处置,不仅造成大量的能源损失、引起巨大的火灾,而且很大程度上会耽误一些重要项目的顺利开展实施,这些对国家和企业造成的损失是不可估量的,造成的社会影响较大。在事故处理时,需要公安部门、消防部门、安监部门、交通部门、医疗部门、环保部门、管道抢修部门、搜救支援部门及时到场,互相协调。

3 结语

针对API 608与API 6D规范对球阀的要求、结合工程实际进行了解读和分析。长输管道工程具有管线长、口径大、施工环境恶劣等特殊性,API 6D标准规范明示了API 6D的球阀与API 608的球阀在功能与结构等方面的区别。

我国长输管道工程的建设投运时间不长,管线阀门的开发起步较晚。一些生产API 608球阀的制造商在生产管线阀门时,对管线球阀的相关规范要求了解不够深入,对长输管道工程的特殊性认识不够,未能充分理解业主对管线球阀提出的技术要求,特别是对密封结构和排污、放空、注脂等功能提出的要求,仍按为一般工业用户技术要求的设计理念来设计制造管线阀门,造成了管线阀门在运行中存在许多难以解决的质量问题,最终不得不更换阀门,造成较大损失。

管线球阀的设计者只有认真研究API 6D标准规范的相关要求,充分关注长输管道工程的特殊性,摆脱API 608规范的束缚,才能设计出符合规范要求,满足长输管道工程需要的管线球阀。

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(来源:中国泵阀第一网)

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