摘 要：从球阀的基本结构、阀座结构以及不同阀座的适用条件介绍入手，对双活塞效应阀座和单活塞效应阀座进行了受力分析和公式推导，进而阐明了球阀密封的原理；同时，对容易疏于管理的注脂系统进行了详细介绍，分析了其对阀门维护保养和确保阀门密封性能的重要性，并给出了检验其是否失效的有效方法；在对球阀结构和密封原理深入分析的基础上，结合球阀工程实际应用情况，全面分析了球阀从生产制造.

关键字：进口气动球阀

目前，在役管道中的球阀尤其是高压大口径球阀主要为进口产品，随着天然气管道关键设备国产化的推进，从西气东输二线开始，实现了国产高压大口径全焊接球阀全面替代进口产品。

1 球阀结构及密封原理

1.1 基本结构

球阀是用带圆形通孔的球体作启闭件，球体随阀杆旋转90°，以实现接通和切断管道中流体功能的阀门。一般由阀体、球体、阀座、阀杆及传动装置组成。阀体结构分为全焊接阀体、顶装式阀体、两段式螺栓连接阀体、三段式螺栓连接阀体。驱动方式分为手动、电动、气动以及气液联动等。球体结构可分为固定球和浮动球两大类。

固定球球阀的球体是固定的，受压后不产生移动。固定球球阀通常带有浮动阀座，受介质压力后，阀座产生移动，使密封圈紧压在球体上，以保证密封。通常在球体的上、下轴装有轴承，操作扭矩小，适用于高压大口径阀门。浮动球球阀的球体是浮动的，在介质压力作用下，球体产生一定的位移并紧压在出口端的密封面上，保证出口端密封，入口端阀座密封无法保证。浮动球球阀结构简单，单侧密封性好，但球体承受工作介质的载荷全部传给出口密封圈，故启闭力矩大。

1.2 密封原理

双隔离与泄压阀（DIB）：具有两个阀座密封面的阀门，在关闭位置，通过泄放密封面之间的阀腔，每个密封面抵抗一个源头的压力。其中，两个阀座都是双向密封，表示符号DIB-1；一只阀座为单向密封，另一只阀座为双向密封，表示符号DIB-2。

双关双泄放阀（DBB）：具有两个密封副的阀门，在关闭位置，两个密封副可同时保持密封状态，中腔（两个密封副间）的阀体有一个泄放介质压力的接口。

双活塞效应阀座（DPE）：活塞效应是一种利用介质压力推动浮动阀座抱球的密封形式，双活塞效应即无论是阀座上游还是下游介质压力都会推动阀座抱球的密封形式，为双向密封。

单活塞效应阀座（SPE）：又称自泄压作用阀座，只有阀座的一侧介质压力能够推动阀座抱球的密封形式，另一侧介质压力过高时，将推动阀座离开球体使压力泄放，为单向密封。

一般情况下，当输送介质为气体时，阀座选用DPE结构；当输送介质为液体时，阀座选用SPE结构，阀腔压力过高时可通过阀座自动泄压。当两端阀座都采用DPE（DIB-1）或都采用SPE时，无介质流向要求；当一端为SPE、另一端为DPE（DIB-2）时，对介质流向有要求；当上游为SPE，下游为DPE时，阀腔压力过高时可通过上游阀座将压力自动释放至上游管道。在阀门下游阀座选为SPE的情况下，若要关闭阀门进行下游管道的维修处理等作业，应先将阀腔进行放空并保持常开，避免阀腔压力过高时介质通过下游阀座进入下游管道，带来安全隐患。

当选用DIB-1型阀门时，两个阀座都为双向密封，阀座不具有自泄放功能。若输送介质具有受环境影响压力会异常升高的特性（如气化造成压力陡增），应设置安全泄放阀，在阀腔压力过高时释放压力。对于天然气等不具有压力异常升高特性的气体介质，为便于管理，减少可能的泄漏点，不需要设置安全泄放阀。

以下选择某特定类型的阀座对双活塞效应阀座和单活塞效应阀座的密封原理进行受力分析。

1.2.1 双活塞效应阀座

阀腔充满介质时阀座的作用力（图1）：

结果：阀座受到向左的作用力FR，被推向球体。

图1 阀腔充满介质DPE阀座受力分析

管道充满介质时阀座的作用力（图2）：

结果：阀座受到向左的作用力F_R，被推向球体。

图2 管道充满介质DPE阀座受力分析

1.2.2 单活塞效应阀座

阀腔充满介质时阀座的作用力（图3）：

结果：当FΔA＞F_F时，阀座受到向右的作用力F_R，被推离球体，阀腔压力自动泄放；当FΔA＜F_F时，阀座受到向左的作用力F_R被推向球体。

图3 管道大数据系统分层示意图

管道充满介质时阀座的作用力（图4）：

结果：阀座受到向左的作用力F_R，被推向球体。式中：F_R为阀座受到的总作用力，N；F_F为阀座受到的弹簧作用力，N；p_gas为阀腔或管道内介质压力，MPa；Aa为阀座右侧受到介质作用力面积，m²；Ai阀座左侧受到介质作用力面积，m²；ΔA为阀座两侧受到介质作用力面积差，m²；FΔA为阀座受到的介质压力和，N。

图4 管道充满介质SPE阀座受力分析

从以上阀座受力分析可得：DPE阀座无论是阀腔压力还是管道压力，都将使其被推向球体，达到双向密封；对于SPE阀座，当管道压力高时阀座被推向球体，当阀腔压力大于管道压力且压差达到一定数值时，可克服弹簧作用力，将阀座推离球体，进行自动泄放。

目前，长输天然气管道球阀大都选用DIB-1型，且且阀体上设置有放空阀和排污阀，如中国石油天然气与管道分公司发布的《输气管道球工程阀技术规格书》（CDP文件）要求“：阀门应为双截断功能，具备双活塞效应的阀座；公称直径大于或等于DN100的阀门应设阀腔放空、排污”。此种阀门又属于DBB型阀门，以下主要针对该类型阀门进行分析和阐述。

1.3 阀门注脂系统

注脂是阀门阀杆和阀座维护保养的主要手段，是确保阀门密封性能的重要辅助方法。

注脂系统主要包括注脂嘴、注脂管路（埋地阀门）、独立止回阀。设置在阀体中的独立止回阀和注脂嘴中的内置止回阀形成双道反向密封，有效地防止注入的油脂倒流和介质外漏，同时注脂嘴与其盖帽又设有金属对金属的针型密封副，构成了注脂系统三级密封结构（图5）。在正常情况下，独立止回阀对介质起到密封作用，使注脂嘴不受介质压力，从而可以在管道带压情况下更换注脂嘴。注脂作业时，油脂先后通过注脂嘴（内置止回阀）、独立止回阀，然后进入球体与阀座之间的环形油脂槽内，从而起到密封或润滑作用，有效地防止阀门内漏或减小阀门操作扭矩。阀门注脂前，首先应确认阀门处于全开或全关位，然后缓慢拧松注脂嘴盖帽，如持续有油脂或气体从盖冒上的小孔泄漏，则说明两道止回阀都失效，应考虑对其进行维修或更换。拧下盖帽后，应先清理掉注脂嘴上的杂质和变硬的油脂等污物，以避免其进入注脂系统堵塞注脂管路，或影响止回阀的密封，甚至影响阀门阀座的密封。

图5 止回阀注脂系统示意图

油脂主要分为清洗液、润滑脂、密封脂。清洗液通常用于阀门开关困难的状况，可清除阀门中老化变硬的密封脂和润滑脂等堵塞物；润滑脂适用于新阀门运行前的养护和运行期间的保养及维修，冲洗密封面的杂质、保护密封面，形成油膜减少摩擦阻力，延长阀门的使用寿命，如80润滑脂；润滑密封脂既可起到润滑作用又可起到修复密封作用，适用于阀门微漏状态，如911润滑密封脂；密封脂适用于阀门内漏较大情况。在阀门单体试压时，应检测注脂系统中独立止回阀是否有泄漏，避免在阀门投运后才发现，若投运后才发现就需要对与其连通的管道放空后更换。尤其是与干线相连的埋地阀门，如独立止回阀有泄漏，不仅需要停运，还要进行人工开挖和大量的天然气放空。检测独立止回阀是否内漏，可通过工具顶住注脂嘴内置止回阀中的小钢球，看是否有介质流出，直接拧下带压的注脂嘴进行判断是非常危险的。

对于埋地阀门，在单体试压时，有必要考虑单独对注脂管路进行试压，以检验注脂管路是否存在泄漏现象；阀门安装完毕并回填后，为检查是否在安装回填过程中对注脂管路造成损伤，在整体试压时可再次对注脂管路进行试压。避免在阀门投运后进行注脂作业时，油脂顺着泄漏点跑到阀门外部，使阀门无法得到养护。某工程场站在试运投产中，发现一埋地阀门出现泄漏，放空后进行开挖，确认是注脂管路焊口泄漏，同时4个独立止回阀均失效，进行了更换处理。

2 内漏分析

2.1 内漏原因

（1）厂家原因：①生产制造过程中质量把关不严，阀门密封结构本身存在缺陷，或阀门密封试验控制不到位，造成阀门出厂时便存在内漏；②出厂前水压试验后，没有对阀门进行排污、干燥、防腐处理，造成密封面锈蚀形成内漏；③从厂家到中转站的吊装和运输不当，引起阀门的整体损伤，从而造成阀门内漏；④出厂或现场安装时限位设置不准确造成泄漏，长期带漏运行将对密封面造成损伤；⑤阀门保管或运输过程中保护不当，使得砂子等固体杂质进入阀门内造成内漏；⑥注脂管路内存在铁锈或其他杂质，随着注脂进入阀座密封面造成内漏。

（2）施工原因：①从中转站到施工现场的吊装和运输不当，引起阀门的整体损伤，从而造成阀门内漏；②施工现场保护不到位，阀门两端保护罩丢失，砂子等固体杂质进入阀门造成内漏；③现场焊接时，未按照厂家提供的阀座处的控制温度值来严格控制预热、层间和焊接温度，造成对密封圈、密封面的损伤，从而引起内漏；④焊接时，阀门没有处于全开位，焊接飞溅物造成球面或密封面损伤，从而导致内漏；⑤焊渣等施工遗留物未清理干净，在后期阀门开关过程中，造成密封面划伤而引起内漏；⑥在现场强度试压过程中，阀门处于全开位，由于压力过高使阀座受损，从而引起内漏[3]。

（3）运行原因：①不按规定对阀门进行定期维护或因维护方法不当，使阀门提前出现内漏；②清管不当造成密封面损伤引起内漏；③长期不保养或不活动阀门，造成阀座和球体抱死，在开关阀门时造成密封面损伤形成内漏；④阀门在长期运行中，阀杆或加长杆等会产生锈蚀并脱落，妨碍球体旋转到位，执行机构限位锈蚀、螺栓松动或运行中限位设定不准确，都可导致阀门开关不到位，从而造成内漏；⑤缺乏周期性的维护和保养，造成密封脂变干、变硬，变干的密封脂堆积在弹性阀座后，阻碍阀座运动，造成密封失效；⑥操作不当，长时间用球阀进行流量和压力调节，携带固体颗粒的天然气对球面和密封面的长时间冲刷，可能损伤球面和密封面，从而引起内漏。

2.2 内漏检验

（1）对于未安装或是阀门两侧管道无运行介质的阀门，可通过阀门的放空或排污口向阀腔充入氮气（或其他惰性气体），并连接压力表，看是否有压降。该方法只能判断是否内漏，不能判断是哪一侧内漏，可分别检验阀门处于全开位和全关位的密封性。

（2）对于未安装的阀门：①将阀门调整到全关状态，并将阀门两端口进行封堵，向阀门一侧打压，通过查看连接的压力表是否有压降，可分别判断阀门两侧的密封性；②将阀门调整到全开状态，并将阀门两端口进行封堵，向两端口间形成的空间打压，通过查看连接的压力表是否有压降，可判断阀门是否有内漏，但不能判断是哪一侧内漏。

（3）对于运行中的阀门（有天然气），无论阀门处于关闭还是打开状态，通常可通过打开阀门放空或排污阀，看是否能将阀腔内气体完全放掉，如内漏将持续有气体放出。在实际运行维护中，可对不内漏的阀门阀腔完全放空时间进行统计并记录，在判断其他同类阀门是否内漏时进行对比，从而减少天然气的泄放浪费，尽早判断阀门是否内漏[9]。

2.3 内漏处理

（1）首先，可开关阀门几次，使管道中流动的气体将球面和密封面上的杂质吹扫干净。

（2）其次，检查阀门限位，通过调整限位使阀门全开或全关到位。

（3）注入适量的润滑脂，看是否能止漏。注入速度要慢，同时观察注脂枪出口压力表指针的变化，来判断阀门的内漏情况。

（4）如阀门之前注入过密封脂且变硬，应先注入清洗液，对阀门的密封面和阀座进行清洗，待固化物全部溶解后，再注入润滑脂，并间断地开关阀门几次，将杂质等污物排出阀座后腔和密封面。

（5）在全关位检查，如阀门仍有内漏，有可能是密封面受损引起内漏，可注入加强型密封脂，一般轻微内漏都可以消除。

（6）如阀门内漏问题仍未解决，应考虑对阀门进行维修或更换。对于分体式法兰连接阀门，可对阀座和密封圈进行现场维修或更换；对于全焊接阀门，基本上只能进行返厂处理。

3 注意事项

（1）厂家应该考虑将阀门留有足够长的袖管，确保现场阀门与管道焊接时不会影响到阀门密封。

（2）在生产制造过程中，应该采取有效措施，防止焊渣等杂质进入注脂管路，避免影响止回阀的密封性。为防止注脂管路内壁锈蚀而影响止回阀密封，出厂前需考虑内壁的防锈措施。

（3）在运输过程中应该注意对注脂以及放空和排污等辅助管路的保护，埋地球阀的注脂管路不应仅考虑承压能力，还应考虑在运输、吊装以及回填过程中可能遇到轻微磕碰和挤压，设计时应具有一定的强度，并在管路的适当位置加设固定支撑。

（4）阀门和执行机构在工厂调试后应做永久性定位标志，现场组装时应再次检查限位是否准确。

（5）在阀门开箱验收过程中，应该仔细检查阀门外观，看外防腐层是否有破损，厚度是否符合设计要求，阀门注脂、排污、放空管路是否有碰撞和挤压现象，注脂嘴、放空和排污阀是否有缺失，阀门的合格证、检验报告、安装维护手册及使用说明书等文件是否齐全[10]。

（6）施工单位焊接时，应该确保阀门处于全开状态，以免焊接飞溅物伤及球面和阀座密封面；应该严格控制预热、层间和焊接温度，避免温度过高伤及球阀密封面。

（7）强度试压过程中，应该确保阀门处于半开半闭状态，即阀腔与管道连通，使阀座不会因受压过大而损坏。试压完成后，应该及时对阀门进行排污。

（8）施工单位应该加强阀门现场的保护，在单体试压前、焊接前，禁止取下阀门两端的保护罩，焊接后应该将阀门内的杂质等污物清理干净。

（9）阀门投入运行后，尽量不要长时间用球阀进行流量和压力调节，以免天然气中携带的杂质伤及密封面。同时，应按规定定期对阀门进行维护保养。

4 结论

（1）阀门出厂前，应该严格按照规定进行试压等各种检验，并加强存储和运输环节的维护保养。

（2）阀门到达施工现场后安装前，厂家应该对阀门是否内漏进行检验，建设单位、监理单位和施工单位到场共同确认，以避免后期责任不清。

（3）阀门从开箱验收到试运投产全过程的养护工作，建议由第三方专业阀门养护公司或建设单位运维部门来承担。

（4）阀门到达中转站或直达现场后，厂家必须派人参加开箱验收，指导施工单位安装，并及时到场进行投产保驾。同时，应该提供阀门现场安装前单体试压的程序及具体要求，并提供阀门的安装程序。

（5）建设和监理单位应该加强阀门到场后的管理工作，施工单位必须严格按照规范和厂家要求进行阀门的试压和安装。

（6）运行单位应加强专业培训，提高维护人员素质，确保维护保养的科学、规范和安全。

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