張紹華，劉建峰，葉志烜，宋忠榮

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

0 引言

關(guān)于球閥產(chǎn)品，美國石油協(xié)會(huì)有API 6D《管道及管線閥門規(guī)范》和API 608《法蘭、螺紋和焊連接的金屬球閥》2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)球閥產(chǎn)品都作出了詳細(xì)的規(guī)定和要求。本文對(duì)API 6D 與API 608 中關(guān)于球閥的規(guī)定和要求進(jìn)行初步解讀，并結(jié)合工程實(shí)踐，明晰API 6D 球閥與API 608 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能要求、試驗(yàn)方法等方面的區(qū)別與聯(lián)系，使API 球閥業(yè)主、制造廠、監(jiān)理方等相關(guān)方能夠理解和適應(yīng)相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求。

1 API 6D 與API 608 的關(guān)系

API 6D 球閥使用在石油和天然氣工業(yè)管道系統(tǒng)，包括長輸油氣管線及各級(jí)匯集管線，相當(dāng)于站區(qū)外運(yùn)輸，包括ASME B31.4 和B31.8 管道，口徑范圍NPS（4～60），以大口徑居多，95%以上均為10英寸以上，壓力等級(jí)有150，300，400，600，900，1500，2500 磅，一般為固定球結(jié)構(gòu)，進(jìn)口端密封。API 608 球閥使用在石油、石油化工及工業(yè)應(yīng)用上,主要用于ASME B31.3 工藝管道，口徑范圍NPS（1/4～24），大都口徑較小，壓力等級(jí)有150，300，600，800 磅，一般為浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)，出口端密封。

API 608 是在ASME B16.34《法蘭、螺紋和焊連接的閥門》規(guī)定的要求外附加設(shè)計(jì)、操作和性能的要求，面向一般工業(yè)用戶。由于長輸管道工程的特殊性，美國石油學(xué)會(huì)制定了API 6D《管道及管線閥門規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，明示了API 6D 的球閥與API 608 的球閥在結(jié)構(gòu)與功能等方面的區(qū)別。

API 6D 與API 608 球閥根據(jù)所使用的工況和需求不同，各有其特點(diǎn)，共同構(gòu)成了石油化工領(lǐng)域完整的球閥規(guī)范。結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)2 個(gè)球閥標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行初步解讀和分析。

2 球閥要求分析

2.1 結(jié)構(gòu)與功能要求

球閥按球體結(jié)構(gòu)分為浮動(dòng)球球閥和固定球球閥。浮動(dòng)球球閥典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其球體無支撐軸，球體由閥門進(jìn)、出口兩端的閥座予以支撐。閥桿與球體為活動(dòng)連接。閥門關(guān)閉時(shí)，球體在介質(zhì)壓力的作用下，被推向閥門出口端閥座，使之壓緊并密封。這種球閥為出口端（閥后）密封，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、成本低廉、工作可靠等特點(diǎn)，在工藝管道上得到了廣泛應(yīng)用。

固定球球閥支撐板結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其球體由固定到閥體上的支撐板所支撐，閥座是活塞效應(yīng)閥座。在介質(zhì)壓力的作用下，閥座向球體靠近，使閥座密封圈緊壓在球體上，產(chǎn)生密封比壓，以達(dá)到密封介質(zhì)。閥前介質(zhì)壓力在球體上所產(chǎn)生的作用力全部傳遞給軸承，不會(huì)使球體向閥后閥座移動(dòng)，因而閥座不會(huì)承受過大的壓力。這種球閥為進(jìn)口端（閥前）密封，具有開啟轉(zhuǎn)矩小，密封性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于長輸管線高壓、大口徑的場(chǎng)合。

API 608 球閥用于石化行業(yè)工藝管道，功能為接通或截?cái)嘟橘|(zhì)，操作工況經(jīng)常是高溫高壓、有毒有害、易燃易爆、腐蝕性及連續(xù)作業(yè)，對(duì)閥門的密封、材料、防腐等方面提出了高的要求。API 608球閥有固定球結(jié)構(gòu)和浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)，一般采用浮動(dòng)球結(jié)構(gòu)。

API 6D 球閥用于長輸管線，因長輸管線的特殊性，球閥除了接通或截?cái)嘟橘|(zhì)功能外，還須具有排污、放空、超壓泄放、注脂和在線檢漏等功能。API 6D 球閥都采用固定球結(jié)構(gòu)。

API 6D 管線球閥的排污、放空功能：①閥門出廠試驗(yàn)時(shí)，驗(yàn)證閥座的密封性；②管線投產(chǎn)前，排空閥腔內(nèi)污物；③投運(yùn)時(shí)，在線檢査閥座的密封性；④搶修時(shí)，代替管線上的排污與放空。

為了保證搶修施工的安全，減少對(duì)環(huán)境的影響，降低放空代價(jià)，管線球閥的排污放空尤為重要，必須嚴(yán)格按API 6D 規(guī)范要求設(shè)計(jì)排污放空，滿足規(guī)范中對(duì)排污口、放空口的尺寸規(guī)定。具有排污、放空功能的球閥閥座，每個(gè)閥座均能承受外側(cè)的全壓差（DBB 功能），隔絕上、下游介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)安全排污、放空。

圖1 浮動(dòng)球球閥

圖2 固定球球閥

API 6D 管線球閥除了排污、放空功能外，還應(yīng)具備中腔超壓泄放功能，可利用DIB-2 功能的閥座將超壓釋放到閥座外側(cè)或者閥體另接安全泄壓裝置。為提高球閥的密封性能，也可使單個(gè)閥座分別承受住每一側(cè)的全壓差（DIB-1）。當(dāng)上游閥座密封失效時(shí)，下游閥座仍能可靠密封。

實(shí)現(xiàn)排污、放空、超壓泄放功能，提高密封可靠性，API 6D管線球閥設(shè)計(jì)成活塞效應(yīng)的閥座。閥座活塞效應(yīng)原理如圖3 所示。面積差（A2-A1=△A）產(chǎn)生的作用力推動(dòng)閥座向球體運(yùn)動(dòng)，形成密封。

圖3 閥座活塞效應(yīng)

活塞效應(yīng)分單活塞效應(yīng)和雙活塞效應(yīng)。單活塞效應(yīng)的閥座只能對(duì)單個(gè)方向的介質(zhì)起密封作用。雙活塞效應(yīng)閥座對(duì)正向流體和反向流體均能起密封作用。通過單活塞效應(yīng)閥座和雙活塞效應(yīng)閥座的不同組合，實(shí)現(xiàn)DBB，DIB-1 和DIB-2 功能，見圖4。

API 6D 管線球閥除了充分考慮閥座結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)考慮其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或材料選擇以保證閥門的密封性能，如采用儲(chǔ)物空間大的閥體結(jié)構(gòu)、增加閥體內(nèi)腔直徑等措施，避免管道內(nèi)沙石等硬物長時(shí)間停留在閥座與球體間的腔體，有效防止對(duì)閥座和球體的損傷。此外，采用橡膠材料的活塞效應(yīng)閥座密封圈，對(duì)管道內(nèi)硬物的適應(yīng)性較好，避免密封圈永久損傷而使密封失效。

2.2 檢驗(yàn)與試驗(yàn)要求

API 608 規(guī)定球閥的檢查、檢驗(yàn)和壓力試驗(yàn)按照API 598《閥門的檢查和試驗(yàn)》進(jìn)行。作為ASME B16.34《法蘭、螺紋和焊連接的閥門》的補(bǔ)充規(guī)范，API 608球閥也應(yīng)完全滿足ASME B16.34 的檢驗(yàn)與試驗(yàn)要求。ASME B16.34 和API 598 是針對(duì)通用閥門提出的規(guī)范，屬于必須滿足的最低要求。

API 6D 規(guī)范針對(duì)管線閥門的具體情況，對(duì)檢驗(yàn)和試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，較ASME B16.34 和API 598 要求更嚴(yán)，如壓力持續(xù)時(shí)間更長、試壓項(xiàng)目更多、操作程序更復(fù)雜。進(jìn)行密封試驗(yàn)時(shí)，API 608 球閥通常采用一端加壓、觀察另一端閥座的方式檢測(cè)密封，而API 6D 球閥則通過一端加壓、從中腔進(jìn)行密封檢測(cè)。

圖4 活塞效應(yīng)閥座的組合

在最新的2014 版本中增加了質(zhì)量規(guī)范等級(jí)QSL 的要求。QSL 等級(jí)包括了對(duì)無損檢測(cè)（NDE）、壓力試驗(yàn)及制造程序文件的詳細(xì)要求。按照質(zhì)量規(guī)范等級(jí)QSL 的不同，API 6D 球閥需進(jìn)行的檢驗(yàn)與試驗(yàn)項(xiàng)目及范圍也有所不同，QSL 等級(jí)要求的嚴(yán)格程度隨QSL 等級(jí)數(shù)遞增。QSL-1 級(jí)是API 6D 規(guī)定的最低質(zhì)量規(guī)范等級(jí)，當(dāng)買方認(rèn)為有必要時(shí)，可規(guī)定球閥應(yīng)符合QSL-（2～4）質(zhì)量規(guī)范等級(jí)。當(dāng)買方規(guī)定任一QSL 等級(jí)時(shí)，應(yīng)提供全部QSL 等級(jí)的詳細(xì)要求。新版API 6D 中QSL 質(zhì)量規(guī)范等級(jí)的提出，意味著管線球閥的質(zhì)量要求進(jìn)一步提高，并作了統(tǒng)一的規(guī)范。針對(duì)API 6D-2014 新增的質(zhì)量規(guī)范等級(jí)的要求，買賣雙方應(yīng)仔細(xì)研究各質(zhì)量規(guī)范等級(jí)之間的區(qū)別和聯(lián)系，以便更好地為管道工程提供合適的球閥產(chǎn)品。

2.3 安全性和可靠性的要求

API 608 球閥用于工藝管道，開關(guān)操作頻繁，壽命短，加上口徑不大，更換較容易。而API 6D 球閥用于長輸油氣管線，口徑大，輸送介質(zhì)壓力高、易燃、易爆，加之長輸管線一般流經(jīng)地理環(huán)境復(fù)雜，氣候惡劣，環(huán)境溫度變化范圍大的區(qū)域，且管線投資巨大，投入運(yùn)行后，要求長期連續(xù)運(yùn)行。管線正常運(yùn)行時(shí)，球閥是開啟的，但一旦出現(xiàn)故障需要關(guān)閉時(shí)，閥門必須快速可靠關(guān)閉。另外API 6D 球閥因口徑大、埋地安裝、與管道焊接連接等因素，更換比較困難，而且一旦搶修，費(fèi)用高昂。因此，長輸管線API 6D 球閥比API 608 球閥要求有更高的安全可靠性、密封性和強(qiáng)度，以確保長輸管線長期安全可靠運(yùn)行。

目前在長輸管線閥門的招標(biāo)和采購過程中，業(yè)主針對(duì)管線閥門如何適應(yīng)長輸管線工況，如何保證長壽命等提出的技術(shù)要求不夠明晰，沒有提出具體要求，如只提30 年壽命，給供應(yīng)商留下了空間，只有一紙承諾，其他與普通閥門無差別。在今后關(guān)于安全性和可靠性方面，業(yè)主應(yīng)對(duì)供應(yīng)商提出嚴(yán)格具體的技術(shù)要求，并要求給出切實(shí)可行的控制措施。

2.4 安裝維護(hù)要求

API 608 球閥屬于工藝管道球閥，一般在廠內(nèi)就可完成安裝，施工地點(diǎn)平整，貯存轉(zhuǎn)運(yùn)方便，安裝時(shí)間集中，施工環(huán)境較好，且一般管道及配件的架設(shè)及安裝都具有支承結(jié)構(gòu)，閥門的受力條件較好。

API 6D 管線球閥因?yàn)榘惭b在長輸管線上，大多在野外露天，部分在閥室。長輸管道工程少則幾十公里，多則上千公里，管線跨度長，施工地分布廣，管道埋地，翻山越嶺，穿江過河，施工環(huán)境特別惡劣，管道內(nèi)殘留沙石、泥土不可避免，管道的建設(shè)至投產(chǎn)周期較長，管道附加應(yīng)力、外部載荷等影響因素不可忽略，再加上施工人員的素質(zhì)參差不齊，這些對(duì)閥門性能的影響難以避免，最終質(zhì)量不好控制。

API 6D 管線球閥安裝時(shí)，有時(shí)存在施工人員責(zé)任心不強(qiáng)、施工現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)不到位、不按照程序進(jìn)行安裝調(diào)試等情況，管道內(nèi)的沙石、泥土、施工垃圾等沒有清理或者沒有清理干凈，沙石、泥土等進(jìn)入閥腔，焊接飛濺物粘接在球面或閥座，造成密封副損壞，閥體與閥座接觸的內(nèi)腔表面銹蝕，泥土結(jié)垢，閥座卡死，直接影響閥門的密封性能。因此現(xiàn)場(chǎng)閥門安裝時(shí)必須嚴(yán)格按照施工工藝進(jìn)行。

管線球閥投運(yùn)后，長期處于開啟狀態(tài)，但又必須具備高可靠性，因此需要加強(qiáng)管線球閥的日常維護(hù)工作。對(duì)于球閥閥座的養(yǎng)護(hù)，要適當(dāng)?shù)淖⑷霛櫥停渥⑷肓拷Y(jié)合球閥的使用狀況和使用頻率，這樣既可以保障其密封性，又可以防止雜質(zhì)的進(jìn)入，同時(shí)避免球體和閥座膠合，防止球體活動(dòng)時(shí)干磨，保護(hù)閥座和球體，對(duì)于管線球閥的正常運(yùn)行有明顯的作用。

2.5 事故狀態(tài)的處理措施

API608 球閥發(fā)生故障造成的影響通常局限在本廠及周邊附近，一般事故情況可自行處置，社會(huì)影響可控。而API6D 長輸管線球閥一旦發(fā)生故障，對(duì)整條長輸管線的運(yùn)行造成巨大的影響，難以自行處置，不僅造成大量的能源損失、引起巨大的火災(zāi)，而且很大程度上會(huì)耽誤一些重要項(xiàng)目的順利開展實(shí)施，這些對(duì)國家和企業(yè)造成的損失是不可估量的，造成的社會(huì)影響較大。在事故處理時(shí)，需要公安部門、消防部門、安監(jiān)部門、交通部門、醫(yī)療部門、環(huán)保部門、管道搶修部門、搜救支援部門及時(shí)到場(chǎng)，互相協(xié)調(diào)。

3 結(jié)語

針對(duì)API 608 與API 6D 規(guī)范對(duì)球閥的要求、結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行了解讀和分析。長輸管道工程具有管線長、口徑大、施工環(huán)境惡劣等特殊性，API 6D 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范明示了API 6D 的球閥與API 608 的球閥在功能與結(jié)構(gòu)等方面的區(qū)別。

我國長輸管道工程的建設(shè)投運(yùn)時(shí)間不長，管線閥門的開發(fā)起步較晚。一些生產(chǎn)API 608 球閥的制造商在生產(chǎn)管線閥門時(shí)，對(duì)管線球閥的相關(guān)規(guī)范要求了解不夠深入，對(duì)長輸管道工程的特殊性認(rèn)識(shí)不夠，未能充分理解業(yè)主對(duì)管線球閥提出的技術(shù)要求，特別是對(duì)密封結(jié)構(gòu)和排污、放空、注脂等功能提出的要求，仍按為一般工業(yè)用戶技術(shù)要求的設(shè)計(jì)理念來設(shè)計(jì)制造管線閥門，造成了管線閥門在運(yùn)行中存在許多難以解決的質(zhì)量問題，最終不得不更換閥門，造成較大損失。

管線球閥的設(shè)計(jì)者只有認(rèn)真研究API 6D 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)要求，充分關(guān)注長輸管道工程的特殊性，擺脫API 608 規(guī)范的束縛，才能設(shè)計(jì)出符合規(guī)范要求，滿足長輸管道工程需要的管線球閥。