油气管道的阀门有多高科技,你根本无法想象

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  出品|网易新闻

  作者|汪泽,清华大学机械工程系博士研究生

  近十年来,中国油气管道行业取得了快速发展,从管道长度上看,油气管道总里程达13.3万公里,到2020年,全国油气管网规模将达到16.9万公里,包括原油管道约3.2万公里、成品油管道约3.3万公里、天然气管道约10.4万公里,而建设这么长里程的油气运输管线,除了管道之外,还有一个必不可少的元件——阀门。

  (一)国外长期垄断的特种旋塞阀曾严重威胁国家能源安全

  阀门在油品运输中的重要性基本上等同于水龙头对于自来水供应的重要性,而中国输油管道的长度决定了阀门的使用数量不在少数。但由于这种应用于成品油运输管线的特种旋塞阀的技术门槛较高,在很长一段时间中,中国应用的旋塞阀都依赖于进口,不仅价格昂贵、维护成本高,同时也是中国能源安全的一大隐患。

  不过现在好了,国产化的旋塞阀已经成功跻身中高端市场,制造周期仅为国外产品一半,而且可以提供48小时到现场的售后服务,大幅节省了中国石油管线的建设维护成本。

  

  (旋塞阀的应用)

  (二)国产化旋塞阀设计:密封性能、使用寿命不再是矛盾体

  你可能会问,不就是个阀门么,有什么高的技术含量呢?和家用水龙头这样的阀门有什么区别?

  阀门最主要的应用就是保证良好的开启和关闭,这对阀门的密封性能有着很高的要求。

  1、传统阀门:密封性和使用寿命难以兼得

  通常我们见到的管道阀门是这样的:

  

  在操作过程中,传统阀门通过密封件在阀门腔体内的旋转来决定管路的开启与关闭,所以旋转作用所产生的密封件的磨擦不可避免,从而产生磨损,密封做得越紧,磨损也就越严重,使用寿命越短,即便有润滑措施,也不能完全避免这种矛盾,久而久之密封性能自然就会有所下降,甚至导致阀门密封失效。

  如果水龙头或者阀门漏水了,我们可以更换一个,但如果运输的是成品油,就没那么简单了。

  2、国产油气管线旋塞阀:伸缩结构让绝对密封和延长寿命不再矛盾

  成品油运输管线要求旋塞阀在保证绝对密封性的同时,尽可能延长有效使用寿命,这种看似“鱼和熊掌不可兼得”的需求就是问题的关键所在。

  

  (国产旋塞阀)

  那么国产的旋塞阀是如何满足这样严苛的要求的呢?

  首先来看一下旋塞阀主体结构的剖面图:

  

  (旋塞阀剖面示意图和结构图)

  从图中可以看出,旋塞为楔形(梯形)结构,中间空白部分为流体通道。旋塞两侧固定有用于密封的滑板,当密封滑板与阀体紧密接合时,则密封状态良好。

  不同于一般的阀门直接旋转的开启方式,当该阀门打开时,阀门操作器首先使楔形旋塞提升一段距离,这样固定在旋塞上的密封滑板也就随之脱离阀体。然后在密封滑板与阀体互不接触的情况下,将旋塞转动90度,使得旋塞通道与管道对齐,旋塞阀打开。

  同理,关闭时操作器首先使旋塞和滑板在密封件与阀体无接触的情况下反向转动90度,然后使旋塞向下运动,楔形作用使滑板与阀体严密贴合形成气泡级密封。

  总结起来,相比于传统阀门直接旋转的操作过程,这种旋塞阀还增加了向上提升和向下压缩的过程,这种独特的伸缩结构设计,使得旋塞在旋转过程中,滑板和阀体之间的密封面完全脱开,消除了两者之间的磨损,在保证良好的密封效果的同时还延长了阀门的使用寿命,同时由于在结构设计上有效消除了密封面之间的摩擦,旋塞也无需润滑,避免了对于成品油介质的污染。

  怎么样,有没有被设计者的巧妙设计思路震撼到了?

  (三)旋塞阀制造国产化:多项关键技术自主创新

  有了设计思路还不够,在实际制造过程中也需要解决很多问题。

  1、关闭副密封结构设计:真空硫化、特种防腐保证密封性

  主阀结构设计制造过程中最为关键的指标就是密封性能。

  我们知道,阀门开关采用的密封材料通常都是橡胶,但在输送成品油的运输管路中,简单的橡胶密封怕是还不够。因为成品油是有机溶剂,久而久之会对橡胶产生一定程度上的溶解,使得密封失效。

  为此,在密封滑板上采用了真空硫化、特种防腐等先进工艺,将氟橡胶密封圈永久地嵌入金属基体形成主密封件,以保证密封滑板良好的密封效果及长久的使用寿命。

  

  (等待装配的密封滑板)

  主阀关闭副采用了密封件和旋塞的分体结构,固定好特种橡胶的密封滑板通过楔形旋塞上的燕尾槽进行联结,形成下图这样完整的关闭副结构。

  

  (旋塞与密封滑板)

  这样特殊形状的旋塞还有一个好处,其结构可以实现流体的自锁功能,当旋塞压紧时,流体作用于密封滑板上的力不会使得旋塞有任何移动,这种强制密封结构保证了密封的可靠性。

  2、主阀体的设计:双关双断保证防火防漏

  由于输送成品油材料的特殊性,旋塞阀的主阀体设计还要特别考虑防火防爆性能。在旋塞压紧、阀门关闭后,由于旋塞两侧均有密封滑板,使得管路上、下游均处于独立密封状态,同时满足了上下游的严密关断和耐火需求。这样即使发生意外,一侧出现泄漏,也不会影响另外一侧的密封情况(因为上下游同时关断的特性,该旋塞阀也称为双关双断旋塞阀)。

  而且在主阀体的设计过程中,密封滑板的金属基体与阀体在关闭状态下基本贴合,这样,基本在失火的情况下密封件的橡胶部分被烧毁,也不会出现成品油的大量泄漏。

  同时,轴密封、上端盖、下端盖与阀体间除采用橡胶O形圈密封外还设置了一道石墨填料或石墨垫圈密封,进一步保证耐火、密封要求。

  除此之外,考虑使用中的旋塞阀底部易积存污油和杂质,将主阀底部结构设计为斜面,在最低处设置截止球阀,使污物排放更顺畅,操作更方便,可避免频繁排污造成下端盖排污孔螺纹损坏。

  3、旋塞流通通道设计:类纺锤形保证流体流通面积最大

  通常阀门的流通通道会选择简单的矩形或者梯形,但是这款旋塞阀设计时需要综合考虑安装在旋塞上的密封滑板的结构强度、橡胶密封圈的布置以及流体流通面积的问题。为此,在保证密封件装配空间和结构强度的基础上,对流道形状专门进行了三维优化设计,使得流通面积最大。最终确定旋塞的流通通道形状为类纺锤形。

  

  (旋塞的流通通道)

  4、操作器结构参数匹配,保护各零件结构不易损坏

  除了主阀门结构之外,旋塞阀的另外一个重要的结构是操作器。

  

  (旋塞阀整体结构及操作器示意图)

  操作器的作用是将执行器的多回转运动转换为90度旋转运动和上下直线运动,实现旋塞的上升、下降及正、反向旋转运动。由于涉及零件多,受力状况复杂,需协调好各相关零件的结构参数,否则结构容易损坏。研制中通过对主阀的负载特性进行分析获得操作器的负载特性要求并对相关零件进行受力分析和重点部位进行有限元应力分析,选取和优化结构参数。

  除此之外,该旋塞阀采用了顶端和底部的双开启结构设计,无需从管线上拆下即可在现场对内部零部件进行快速在线检测、维修或更换,维护方便;它还具有多种中腔压力泄放装置,可以满足不同应用场合需求。

  结语

  中国自主研制的双关双断旋塞阀拥有自主知识产权的核心技术,达到国际先进水平,经过了市场的考验多次成功中标,成功打破国外产品的长期垄断,有望在今后的市场竞争中逐步替代原有进口阀门,确保国家能源供应安全。

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