1、前言

西气东输工程(将新疆塔里木盆地等西部的天然气输送到上海以及整个长江三角洲地区)包括了上游气田的开发、输气管道干线建设和下游利用配套建设,是一项特大型国家基础工程。2003年10月1日上海天然气顺利点火,标志着输气干线管道基本建成,下游利用配套建设全面展开。下游利用配套建设主要是指城市天然气管网和工业用户管网的建设,其中城市天然气管网是工程量较大的工程,利用西气东输送来的天然气,河南、安徽、江苏、浙江、上海的大部分县市都相继建设城市天然气管网。阀门是天然气管网的主要元件之一,控制着管线中介质的流向,调节介质的流量和压力,保护管道和设备。为了保证城市天然气管网长期、平稳、安全、可靠运行,对管线阀门的性能、质量、可靠性提出了更高的要求。

2 、性能要求

2.1 、密封性能

天然气管网大多建在城市的边缘,只能进行定期巡逻和检查,有时管线需要通过交通不便、人口较多的地区,出现泄漏不仅造成介质流失,能源浪费,而且有可能会造成严重的火灾事故。因此对天然气阀门的泄露量要求十分严格,通常埋地和较重要的阀门采用阀体全焊式结构。为了保证管线阀门的密封性能,要求密封副具有优良的耐蚀性、耐磨性、自润性及弹性。近年来高分子材料的发展为管线阀门密封材料的选择提供了广阔的选材天地,如聚四氟乙烯、尼龙、丁腈橡胶(NBR)、特殊合成橡胶(VITON)等。

2.2 、易损零件寿命

管线输送的天然气面对着整个城市的大量用户,有居民、企业、工厂等,特别是以天然气为原料的企业用户,管线一旦投入运行几年内不允许停止运行(运行的时间越长越好)。串联在管道上的管线阀门对管线的正常运行有着决定性的影响。因此要求管线阀门的主要密封易损件如阀座等零件寿命长。一般主干线管道阀门使用寿命要求为30年以上。

2.3 、阀门强度

城市天然气管网中有的阀门是高压、大口径,参数达到PN10.0MPa,DN600mm。在使用中应考虑到受温度热胀冷缩和设备振动以及地震等自然条件的影响以及阀门在管道上经常受拉伸、压缩和弯曲等应力的影响。因此阀门应具备足够的强度。

2.4、 耐腐蚀性

因管线输送的天然气在脱硫前含有大量的硫化氢(与铁反应生成的硫化铁,能呈片状剥落,从而会导致机械设备穿蚀)。经过脱硫等工艺处理的天然气,也仍有残存的硫化氢腐蚀,故管线阀门选材应选耐腐蚀抗硫材料。

2.5、 驱动装置

由于管线输送压力高,口径大,开关时间快,故管线阀门需要采用大扭矩驱动装置。如电动或气动装置、气液联动或电液联动装置。并要求有较高自动化配置,一旦管道发生破裂等重大事故时,管线阀门能自动切断。

管线阀门必须具有能承受由于管线热膨胀、地基变动而引起的弯曲负荷等外力,而且尽可能不损坏管线整体的弹性。在上述外力作用下,阀门必须能够具有完全关闭、准确操作等所有机能。

阀门的开闭位置和开度指示器要准确、易懂,满足适当的开关速度。考虑温度变化、外力变化产生的影响,要求紧急切断阀能长期处于全开状态,必要时可迅速闭锁管路。

2.6 、便于清管

因管道在介质的流动过程中要产生积蜡与污垢,且在单管输送天然气时要发出清扫球与隔离球。在球体通过管线阀门时,不允许有卡阻、停止、间歇等问题,要求管线阀门在开启时,清扫球与隔离球能顺利通过。

2.7 、闭锁装置

操作人员以外的第三者胡乱开关管线阀门,特别是管理人员目视不到的紧急切断阀及其它阀门在运转时是非常危险的,因而管线阀门的就地操作器上必须装闭锁装置,以使管理人员以外的人员不能开闭。

2.8 、防火结构及其它

阀门在设计时应考虑防火结构。在管线出现意外事故时,即使发生火灾,阀门仍能起密封作用,并能可靠地操作。为了能容易地把阀门搬运到安装场所,以及门站区等复杂场所和对埋地管线阀门的检修方便,管线阀门要求重量轻、结构紧凑:

(1)采用阀内滞留部分容积小的结构;

(2)使没有润滑剂也能容易地开关操作;

(3)容易进行维修的结构;

(4)装有事故紧急关闭装置。

3.1 、球阀

管线球阀有分体式、全焊式和顶装式3种型式。目前,国内输气管线上采用的国产球阀多为分体式,球体采用固定球结构,阀座密封圈为尼龙、聚四氟乙烯或氟橡胶等材料,阀座密封圈处能注入密封脂形成二次辅助密封。阀门设计成具有防静电和防火结构,能有效避免因摩擦生电起火造成的有机材料密封件的损伤,也能形成金属对金属的密封。阀门可实现双截断与泄放功能(DBB功能)或者双活塞效应(DPE)。

3.2、 紧急切断阀

天然气城市管网中一般选用全焊接球阀,具有可根据管内介质压降速率自动快速切断管道的性能。该阀驱动装置有多种形式,在管线介质压力≥6.4MPa时,采用管道内介质压力作为动力源来驱动阀门;在管线介质压力<6.4MPa时,可采用外供气源来驱动,大多采用气液联动方式,既可手动,又可接收远方控制信号操作。紧急切断阀普遍装有由感知机构、信号传递和扩大机构组成的紧急切断系统(SCADA)。在管线运行状况恶劣地区,为防止管道破裂而造成不必要的损失,保证整个管网的安全,通常每50km左右便要安装一台紧急切断阀。

3.3、 平板闸阀

近几十年来,平板闸阀在输气管线中发展很快。其主要原因是:平板闸阀具有密封性能好,扭矩小、流阻小、开关力相差不大以及不必采用防止异常升压的特殊机构。此外,带导流孔的平板闸阀还可以通过清扫器清洁管道。平板闸阀防腐涂层种类繁多,密封材料质量高,适应性强,性能可靠。尤其是可以随管道安装要求直埋地下或露天安装。

平板闸阀采用浮动阀座,内镶聚四氟乙烯或尼龙等材料的密封圈,闸板呈平板状。闸板运动时,富有弹性的聚四氟乙烯或尼龙密封圈与闸板紧密接触而密封。阀门处于关闭状态时,由于管线介质压力把闸板压向出口侧,阀座形成聚四氟乙烯对金属和金属对金属的双重密封。

3.4 、放空阀、排污阀

近年来,因不断地进行技术改进和创新,放空阀、排污阀功能和使用寿命均有很大改善,因此也越来越广泛地用于输气管线上。放空阀主要用于天然气输送管线装置在紧急情况下或检修时作放空用,能够满足不同工况条件的使用,具有节流、截止、放空等功能,适用于高温、低温、含硫天然气、高含硫天然气等工况条件。其通常采用二级节流技术,软硬双质密封,密封性能可靠,耐气流冲蚀,使用寿命长。

排污阀主要用于天然气输送管线装置在紧急情况下或检修时作排污用。其采用多级节流技术,软硬双质密封,具有密封可靠、耐冲刷、防堵塞、密封面自清扫、节流降压排污显著、满足大颗粒杂质排放等功能,适用于恶劣工况条件下使用,使用寿命长。

3.5、 安全阀

在输气管线上,由于管线内气流流速和压力经常波动,产生冲击波,使管线存在一定的安全隐患。为了克服气流冲击波的影响,管线中常采用安全泄压阀来减轻冲击。当管线内气流压力超过设定压力时,安全阀会自动开启,排放管线内气流,直到管线内气流压力达到设定压力范围之内,安全阀关闭,截断介质排放。

先导式安全阀是一种常见的安全泄压阀,由弹簧直接载荷式导阀和主阀组成,采用软硬双质密封,导阀操作,高,反应灵敏,泄放能力大,稳定性好,广泛用于输气管线上,起超压安全泄放作用。安全阀结构如图5所示。

3.6、 流量调节阀

流量调节阀的特点是不需外来能源,利用被调介质自身所具有的压能自动调节,达到阀门上下游介质压力或流量恒定的目的。

3.7、 驱动装置

驱动装置是自控阀门的执行器。根据管线阀门的使用经验,自控阀能否安全、可靠地运行以及实现阀门的功能主要取决于阀门的驱动装置。在长输管线用阀门驱动装置和控制方面,国外水平远远高于国内。

美、英、德、意等国家对阀门驱动装置进行了大量的试验研究。至今,电动、液动、气动、电液联动和气液联动等驱动装置均已成系列。如意大利STI气动装置、美国Limtorque电动装置、Shafer气液联动装置,英国Rotork电动装置,德国Auma电动装置,意大利Biffi电动、气液联动装置等。

4 、天然气管线阀门选用

(1)考虑阀门的作用,可分别从截断、节流、排污、放空、安全泄压、调节等方面进行选择;

(2)从管线连接形式及管道通径考虑,阀门可选用法兰连接或焊连接、直通型或文丘里(缩口)型;

(3)从实现阀门功能作用的方式看,可根据不同的工况条件选择手动、电动、气动、气/液联动等不同操作方式。