1 概述

我国是世界油、气生产大国，石油、天然气资源十分丰富。球阀作为集输装置的重要设备，其市场容量大，前景广阔。金属硬密封球阀广泛应用于石油、化工、电力、制药、食品、轻工等行业，适用于控制高温、高压或带有颗粒、纤维的流体介质，尤其适用于电站、冶金行业的锅炉、喷煤及结垢、冻结的输送管道。

国内管线建设已经大量使用高温高压的软密封球阀，其制造难度已经很大了，但是，随着市场经济的发展和完善，随着能源产业发展以及化工产业发展，特别是中国加入WTO以后，企业受市场的影响越来越深，用户对产品的要求越来越高，高品质、高技术阀门的市场越来越大。对于耐腐蚀和高温的球阀产品需求量很大，对这类阀门设计和制造难度相当大，而且目前市场上无论铸造或锻造的，高温高压的硬密封球阀生产制造更加困难，我们结合全焊接球阀的设计、生产、制造经验，采用中体与中体上法兰焊接连接，减少阀门外泄漏、整体刚度好和硬密封球阀的耐温、耐腐蚀等优点，开发设计一种新型高温高压硬密封固定球阀，能广泛应用于高温、高压、高腐蚀、含颗粒介质的高危场合。并能保证其密封性能，延长阀门的使用寿命，已经广泛使用于各种管线球阀工程，用户反映阀门使用性能很好。

2 结构原理

新型高温高压硬密封固定球阀是我公司在引进日本北村KTM公司的球阀技术基础上，结合我公司丰富的设计制造经验和市场需求而进行设计的，按API6D管线球阀要求而进行设计，其结构总装图见图1：

图1 新型高温高压硬密封固定球阀结构图

1-连接法兰；2-中体上法兰；3-上阀杆；4-螺旋弹簧；

5-阀座支承圈；6-左右体曰硬密封阀座；7-O型橡胶密封圈；

8-阀座曰矩形石墨绳；9-球体；10-下阀杆；11-底盖；12-中体；13-底

3 工作原理

如图1所示，球体通过上、下阀杆及阀座部件固定在中体、左右体中，阀座安装于支承圈内，支承圈与左右体靠O形密封圈密封，阀座借助螺旋弹簧预紧。介质进口端阀座，在球体关闭时，靠阀座密封圈内径和进口密封支承圈外径所形成的环面积上的介质作用力压紧球体，以达到球阀的密封，密封的可靠性在很大程度上取决于密封面的平均直径与支承圈外径之比，如果支承圈外径的值和密封面的平均直径的值相比不够大时，球阀将不能保证可靠密封，另一方面，如果支承圈外径过大将引起阀座密封圈过载，而使阀门的开关扭矩增加及磨损加快。

4 关键技术

4.1 主要内容

为提高我国高含硫（化氢）石油天然气集输管道抗腐蚀、耐磨、防火水平，提高其运行的可靠性和安全性。研究阀门抗硫化物应力腐蚀开裂、氢致开裂和焊缝抗硫化氢腐蚀的试验分析，研制油气集输用耐磨、防火、抗腐蚀球阀系列阀门产品，*并形成产业化。

4.2 主要技术

（1）技术特点：运用*的工艺技术，研制适用于不同苛刻工况环境的不同功能的石油天然气集、输球阀。

（2）关键技术：整体焊接技术、喷涂硬化技术、喷涂防腐技术、材料防腐蚀试验分析技术。

（3）关键工艺：抗硫化物应力腐蚀开裂（SSC）和氢致裂（HIC）试验工艺、整体焊接工艺、超音速火焰喷涂工艺。

4.3 主要技术难题

（1）为掌握材料抗腐蚀性能，需进行模拟工况试验，并解决焊缝抗硫化氢的腐蚀能力问题；

（2）为解决颗粒状介质冲刷问题需喷涂硬化技术；

（3）为解决高压大口径球阀的防腐问题需喷涂防腐技术；

（4）为保护环境，减少火灾影响，提高抗外力（含地震）冲击能力技术，确定出设计方案，

5 主要设计参数

5.1 适用介质及工作温度：

适用介质：压缩天然气、空气等非腐蚀性介质。

适用温度：-29～200°C。

5.2 性能规范

性能规范如表1所示。

表1 性能规范

5.3 主要零件材料

高温高压硬密封固定球阀产品主要由：中体、左右体、球体、阀座圈、阀杆等组成，根据用户要求，可安装手动操作器或其他执行机构，如手柄、电动、气动等执行机构。

阀门主要零件材料如表2所示。

表2 阀门主要零件材料

6 采用的主要标准和技术要求

阀门*符合API6D的要求，API6D的各条款，作为产品设计指导和合格检验和试验的标准。阀体承压件和相关的焊接设计符合ASMEB&PV规范卷Ⅷ，*部分和DIN3840的要求。使结构优化、重量轻。

（1）设计制造：按API6D/GB/T19672的规定。

（2）结构长度：符合API6D的规定。

（3）法兰连接端：为环连接（RJ），法兰尺寸按ASMEB16.5-RF/RJ规定。

（4）试验和检验：按API598的规定；

（5）通径：符合API6D。zui小流道直径符合API6D的规定。阀门是全通径。

阀体连接端：与中体连接采用螺栓连接式锻钢阀体。

（6）阀盖：阀盖用螺栓连接在阀体上，使阀杆内件能自由安装、并可在不用从管道上拆下阀门的情况下予以更换。接盘设计成既可安装加长杆（埋地阀门），又可接各种操作器（电动或气液联动），接盘尺寸符合ISO5211标准的规定。

（7）球体：它是锻制钢球，金属球体（ASTMA182F304+Ni60）通过超音速喷涂镍基合金，与阀座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬质合金，硬面加工磨削后，再配对研磨，达到密封副要求。通过支座固定在阀体上（固定球）。当阀门关闭时，截断流体压差产生对球体的载荷，通过支座传递到阀体上。球体采用压力平衡孔，平衡当球打开时的中腔压力，这样能减少阀门力矩，延长阀门使用寿命。

（8）阀杆：与球体可拆卸，并按ASMEB16.34和BS5351规定进行防飞设计。阀杆同球体的连接通过一套特殊的机构，允许球体在因介质的压差而产生的推力作用下，可以沿阀门中心线轴向移动，而不影响阀杆，阀杆不承受径向载荷或弯曲载荷，也就是说，阀杆只传递操作阀门的扭矩，实现了纯扭矩操作。

（9）阀座支承圈：是双向双密封型，即不管通过阀门的流体方向如何（与流体进入管线的方向无关），两个支承圈可同时推向球，这种重复的密封设计对流体有双重阻挡作用，保证在上游密封失败时，下游密封环对球的密封，它能确保阀门运行的长期性。每个支承圈是由锻钢制成的，可轴向浮动并截断流体，因为它们通过弹簧预紧以实现低压密封，由活塞效应实现高压密封。为使阀门更有效地密封，阀座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬质合金，与金属球体（ASTMA182F304+Ni60）通过超音速喷涂镍基合金，加工磨削后配对研磨，达到密封副要求。

（10）阀杆密封：右上为阀杆内部密封，双重；右下为阀杆外部密封，三重。

zui外部都采用带有柔性石墨材质挡圈，具有防火烧蚀功能，可以实现在带压情况下更换阀杆外层O形密封圈。

（11）阀座密封：为使阀门更有效地密封，阀座支承圈（ASTMA182F6a）硬面堆焊STL硬质合金，与金属球体（ASTMA182F304+Ni60）通过超音速喷涂镍基合金，加工磨削后配对研磨，达到密封副要求。用硬密封副取代了软密封（如RPTFE、PPL、NYLON、PEEK等）阀座结构，能很好的经受介质的冲刷和腐蚀，在开关过程中能自行铲除密封面上粘附的残留物，能有效的防止介质结疤，随时保持密封面的清洁和光滑，特别适用于固体颗粒、胶料、粘稠等介质。

（12）双截断和排放：当球体在全关位置时，阀体中腔介质可以*排放。

（13）阀体排放：提供排放口和放空口，可按要求装堵塞或阀门。

防静电装置：标准的阀门设计按API608的要求由不锈钢弹簧来保证保证支承圈、球、阀杆和阀体之间的导电性。

（14）防火测试设计：阀门防火设计按APISpec6FA和BS6755：部分2和/或API607的要求。

（15）放空接口：在中体中腔中上部位，加工放空接口，安装放空塞，安全简便的实现中腔介质的放空和泄压。

（16）吹扫接口：按用户要求，在中腔下部45度位置，加工吹扫接口，安装内螺纹锻钢闸阀，闸阀外部安装堵塞，方便对中腔和球体的清理和吹扫。

（17）排污接口：在中体中腔下部设计和加工排污接口，安装排污阀，安全简便的实现对中腔介质排污和清理。

（16）阀门运输：阀门备有底座和吊耳。

7 结构特点和技术性能

7.1 结构特点

本产品主要由中体、左右体、球体、阀座、阀座支承圈、阀杆等零件组成，手动操作器或其他执行器，根据用户需求选配。

（1）阀座采用活塞效应-浮动密封阀座结构：利用阀座部件的活塞效应推动阀座与球体在上游形成密封，下游当中腔压力异常升高时可自动泄压，阀座能保证高压、低压及真空状态下的*密封。

（2）阀杆为防飞结构：采用连接法兰压紧阀杆的较大的台阶面，有效的防止阀杆飞出。

（3）耐火结构：对阀座支承圈进行特殊设计，使阀座在烧损后，介质将支承圈迅速推向球体，使支承圈上的金属斜面与球体形成金属对金属接触，起到一定程度的密封，从而保证系统在火灾时无大量介质泄漏。

（4）法兰无外漏结构：中体与左右体设计成金属—金属接触形成定止口法兰，以防止密封失效而出现的大量外漏。

（5）防静电结构：球体与阀杆采用阀杆键与球体有效接触作为有效的导电通路，阀杆与阀体采用防止静电销和弹簧作为导电通路，从而把球体、阀杆和阀体有效的导电接触，有效的导出静电。

7.2 技术性能

7.2.1 阀座预紧力的必需和形

成尽管固定球阀的密封，主要靠介质作用力使阀座压紧球体，但为了能建立起压差，还需要有阀座预紧力，否则压差建立不起来。本阀门在一般情况下都采用螺旋弹簧预紧，其*点是：

（1）几何形状简单，便于制造。

（2）只需较小的空间，就能具有较高的负荷容量。

（3）多颗螺旋弹簧，均匀分布，有利于阀座部件的预紧受力均匀，也有利于预紧力的方便和快捷调整。

从我公司多年的生产实践证明，此技术，载荷及应力的分布和计算都是可控、可行和准确的。

7.2.2 中法兰无外漏结构

中体与左右体设计成金属—金属接触形成定止口法兰，以防止密封失效而出现的大量外漏。

7.3 耐火结构

对阀座支承圈进行特殊设计，使阀座在烧损后，介质将支承圈迅速推向球体，使支承圈上的金属斜面与球体形成金属对金属接触，起到一定程度的密封，从而保证系统在火灾时无大量介质泄漏。

7.4 防静电设计

（1）设计：为确保阀杆与球体之间或阀杆与阀体之间能导电的防静电结构。防静电电路的电阻应小于10Ω。

（2）阀杆和球体：通过阀杆键与球体有效接触，形成导电通路。

（3）阀杆和阀体：通过防静电弹簧和钢球有效接触，形成导电通路。

（4）试验检测：用经过压力试验并至少5次以上的开关的新的干燥的球阀，在电源电压不超过12V（直流），测试阀杆、阀体和球体的防静电通路，电阻都小于10Ω。

8 结论

本文是根据不同的压力、温度、工况介质和条件，选取需要阀门的密封结构，采用抗硫化物应力腐蚀开裂、氢致开裂和焊缝抗硫化氢腐蚀的试验分析，选择合理的技术参数和关键技术进行设计，研制出油气集输用高温高压耐磨、防火、抗腐蚀球阀，均能保证其实现有效的密封，提高其运行的可靠性和安全性，可以降低管线系统成本，延长阀门的使用寿命，*了国内市场空白，并形成产业化。