火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥通用机械研究院 作者:张绍华

一、前言

  随着我国经济的发展,我国的能源消耗已经在世界上位居前列,为了满足我国对石油、天然气需求的持续增长,在未来一段时间里,每年将兴建几千公里的大型长输管线,包括增压站、分输站、大型储备库等油气储运项目。由于石油、天然气易燃易爆的特殊性,业主对大型油气储运项目工程的质量要求十分严格,对用于这些项目的管线球阀提出除满足API6D规范要求外,还要求阀门制造商提供第三方的防火认证,确保阀门的结构是安全防火型的。

  目前,我国阀门制造商取得的防火证,大多是国外认证公司(如Lloyd′s,TUV,ABS等)颁发,也有一部分是认证公司下设的检验公司颁发。部分阀门制造商将准备好的被试样品送至认证公司指定火烧试验台进行火烧试验,产品的泄漏量达到API6FA或API607标准规定的范围,就颁发防火证书,被试样品的结构与提供发证备案的总装图是否一致没有明确规定,被试样品的来源没有明确的确认,火烧试验台是否具有供第三方认证试验所具备的资质条件含糊其辞。这样有些制造商虽取得了防火证,但实际生产的产品是否是真正安全防火型的,难以令人信服。项目设计单位、业主工程技术部门对国内一些球阀制造商生产的管线球阀能否安全防火常有质疑。精心设计管线球阀的防火结构,向业主提交可以信服的防火结构设计,是打消业主顾虑,取得业主信任的根本。在管线球阀的防火结构设计中,阀座防火结构的设计是关键,阀座的防火性能良好,在火灾事故状态下可减轻阀杆防火结构、阀体与左右体之间防火结构设计的压力。这里重点分析管线球阀在火灾时发生泄漏的原因,对阀门的防火结构进行探讨。

  管线球阀是固定球结构形式,上游端密封为主密封,具有DBB功能,在密封完好的情况下,阀门在全开或全关状态下,可以通过中腔排污口或放空口来观察上游阀座是否存在泄漏。管线球阀在正常使用下,中腔不带压。在火灾事故时,设计合理的阀座防火结构,能够减缓上游压力介质进入中腔的进度,避免因中腔升压而引起介质外漏和内漏。具有良好的防火结构设计的阀座,是保证管线球阀具有安全防火性能的主动措施。

二、阀座防火结构设计目的

  1)有效保证在火灾事故时,上游压力介质尽可能少地通过阀座流入阀体中腔,从而避免内漏和外漏。保证在消防队员到达事故现场之前,不因阀门使火灾事故扩大;在消防队员到现场后,利用消防设备能够快速压住火势,消除火灾事故。

  2)真正使产品的结构符合API6D规范的要求。使产品能通过火烧试验,取得防火证书。

三、阀座防火结构设计原理

  阀座防火结构设计原理为在火灾事故状态下,使上游压力介质通过上游阀座泄漏的途径最少。

  (1)正常情况下阀座密封情况(无泄漏),如图1、图2所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图1 橡胶密封阀座

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图2 塑料密封阀座

  (2)火灾情况下,无防火结构设计该阀座有三种泄漏途径,如图3~图8所示。

  1)泄漏途径1如图3、图4所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图3 橡胶密封阀座

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图4 塑料密封阀座

  2)泄漏途径2如图5、图6所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图5 橡胶密封阀座

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图6 塑料密封阀座

  3)泄漏途径3如图7、图8所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图7 橡胶密封阀座

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图8 塑料密封阀座

  (3)火灾情况下,防火结构设计不完善该阀座存在两种泄漏途径,如图9~图12所示(红色为防火石墨圈)。

  1)泄漏途径1如图9、图10所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图9 橡胶密封阀座

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图10 塑料密封阀座

  2)泄漏途径2如图11、图12所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图11 橡胶密封阀座

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图12 塑料密封阀座

  (4)火灾情况下,防火结构设计完善的阀座仅存在一种泄漏途径,如图13、图14所示(红色为防火石墨圈)。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图13 橡胶密封阀座

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图14 塑料密封阀座

  在火灾情况下,泄漏途径越少,泄漏量越少,阀门的防火性能越好,图13~14表示的结构设计最合理,同时在阀座软密封旁边设计有金属辅助密封,当软密封烧坏时,介质推动阀座继续向前靠拢球体,实现硬密封,使得途径1的泄漏量非常小,进一步提高了防火性能。

四、国外公司管线球阀在国内长输管线工程中的典型阀座防火结构

  以下6种结构均为国外管线球阀制造公司普遍采用的成熟结构(图15~20),虽然阀座整体结构有所差异,但防火结构设计位置均一致,因为在该位置设计防火结构,在火灾情况下,阀座仅存在一种泄漏途径,泄漏途径最少,泄漏量最少,达到最佳的防火性能,在火烧试验中也更容易通过。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图15 典型结构1(红色为防火石墨圈)

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图16 典型结构2(红色为防火石墨圈)

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图17 典型结构3(红色为防火石墨圈)

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图18 典型结构4(红色为防火石墨圈)

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

图19 典型结构5(红色为防火石墨圈)

图20 典型结构6(红色为防火石墨圈)

五、国内公司管线球阀阀座防火结构情况介绍

  国内球阀公司由于各自技术水平、制造水平及工程实际经验的差异,阀座的防火结构设计水平参差不齐,有的公司阀座无防火结构设计或防火结构设计不合理,专业的球阀制造厂阀座防火结构设计与国外公司基本上无差别。

  1)国内专业球阀厂家生产的阀座防火结构设计及实物如图21所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

(a)阀座防火结构图

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

(b)阀座防火结构实物图

图21 专业球阀厂家生产的阀座防火结构(红色为防火石墨圈)

  2)国内非专业球阀制造厂生产的不合理的阀座防火结构设计及产品实物如图22所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

(a)不合理阀座防火结构图

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

(b)不合理阀座防火结构实物图

图22 非专业球阀厂家生产的不合理阀座防火结构(红色为防火石墨圈)

  3)国内非专业球阀制造厂生产的阀座无防火结构的设计及产品实物如图23所示。

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

(a)阀座无防火结构图

火烧试验对管线球阀阀座结构的要求

(b)阀座无防火结构实物图

1.球体 2.阀座 3.阀座支撑 4.连接体 5、8.O形圈 6.注脂孔 7.弹簧

图23 非专业球阀厂家生产的阀座无防火结构

六、结语

  合理的阀座防火结构设计,可以保证上游压力介质通过阀座泄漏的途径最少,防火性能最好。在管线球阀的防火结构设计时,应重点关注阀座的防火结构设计。合理的阀座防火结构是管线球阀在实际工程中具有安全防火的根本保证,考核防火结构的合理性应严格按照API6FA/API607的规范进行火烧试验,考核的样品不应是制造商的送样,应是验证机构的随机抽样,这样才能保证第三方认证的合理性和公证性。

  通过近年我国大型油气储运项目的建设实践,我国一些专业球阀制造商管线球阀的防火结构设计及管线球阀的制造水平已经达到了国外公司的先进水平。

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