球閥在中國的發展

Development of Ball Valve in China

——訪上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司總工程師鄔佑靖先生

Talk with Mr. Wu Youjing, Chief Engineer of Shanghai Neles-Jamesbury Valve Co., Ltd.

文_曹江漫 《閥門用戶》編輯部

球閥(Ball Valve)是在旋塞閥的基礎上發展起來的閥門新品種,它有一個中間通孔的球體作為閥門的啟閉件,兩側有兩個非金屬或金屬制造的密封座,包容在一個閥殼內,通過閥桿,使之作90°回轉,藉以完成閥門的“開”“關”功能。與其它閥門相比較,球閥的全通徑、低流阻,與開關迅速,便于實現自動化的兩大優點,在半個多世紀以來,幾乎在所有的工業領域,從低壓到高壓,低溫、極低溫到高溫,從單相流到氣固、液固和氣液雙相流,從潔凈介質到腐蝕性介質,獲得了廣泛的應用,發展成為閥門制造業中最大的一種閥類。
目前生產球閥的企業很多,幾乎所有閥門生產企業都會涉及這一產品,隨著工業生產規模的不斷發展,以及新型工藝的不斷涌現,除了傳統的軟密封球閥,適用于高溫、高壓、強沖蝕等工況下的金屬密封球閥被工程師設計研發出來,目前金屬密封球閥在石化、煤化工、多晶硅、電力、冶金礦山等行業使用越來越廣泛。目前國際上比較著名的金屬硬密封球閥品牌有:美國MOGAS、美國VTI、加拿大VELAN、德國ARGUS等。
管道輸送技術經半個多世紀的發展,形成了全球性的油、氣輸送管網,這是人類賴以生存的能源供應系統。全世界擁有長輸管線260萬公里。天然氣的輸送95%以上采用管線輸送方式。管線閥門是指石油和天然氣工業管道輸送系統用的球閥、止回閥、閘閥和旋塞閥。其中以球閥用量最大,約占70%以上。世界知名管線球閥企業有美國卡麥?。–AMERON)、加拿大威蘭(VELAN)、德國舒克(SCHUCK)、意大利派諾(PERAR)和新比?。∟UOVO PIGNONE)、捷克MSA、日本替克斯(TIX)等。
在石油、化工、天然氣、電力、冶金等行業,除了有大量的通用球閥,還有部分應用于高溫、高壓、低溫、真空、強腐蝕性等嚴苛工況的特種球閥,例如應用于液化天然氣(LNG)、液化石油氣等的低溫球閥、應用于石化行業乙烯裝置的金屬硬密封高溫球閥、應用于煤化工行業的軌道球閥等,這些工況對閥門的要求嚴格,一旦發生泄漏或停車,就不能維持正常的工藝生產,甚至導致一些事故發生。
為保障能源供應安全和降低工程造價,國家發改委、能源局正大力推進重大關鍵設備的國產化,在閥門制造業亦取得了可喜的成果,如用于天然氣管線的大口徑全焊接管線球閥;核電閥門;煤化工中的鎖渣閥、氧閥等;國產率已達到90%以上。這對于國外閥門廠商而言造成了很大影響,甚至退出中國市場。為應對該挑戰,國外閥門企業積極參與中國閥門行業的整合行動,力圖通過獨資、并購、合資、技術合作等多種投資方式快速擴充產品范圍,提升市場份額,并構建新的市場競爭格局。通過以上方式將自有的專利技術轉化為適合于中國的實用產品專利,即國外產品國產化,成為國外閥門企業的在中國的又一條生存之路。
為使讀者更加清楚全面地了解球閥有關知識,本刊將從“球閥在中國的發展”“國外球閥產品的國產化之爭”“特種球閥的發展及應用”等不同角度為讀者梳理球閥的發展之路,聊一聊球閥的故事。
本期,特邀中國閥協專家組顧問鄔佑靖高級工程師,暢談球閥在中國的發展。


VUM記者:

能簡單介紹下球閥的問世,與其它種類的閥門相比,球閥在實際應用中具有哪些突出的優點?

鄔佑靖先生:

球閥的最早發明可追溯至1910年3月28日,美國人R.L.Hobbs向美國專利局提交了一份閥門結構的申請,并于1911年6月28日批準,專利號為982815。該發明涉及一種閥門的類型,一個球狀的啟閉件,置于閥殼的中心,兩側各有一個環狀密封座,通過閥桿使球形關閉件作90°回轉,藉此達到開啟或切斷流體的功能。這是球閥最早的雛形。
但是,一直到第二次世界大戰結束后,球閥才開始得到迅速的發展。這是由于1943年美國杜邦公司發明了PTFE四氟塑料。這種材料具有一定的強度、較低摩擦系數和優秀的耐腐蝕的性能,適宜用作球閥的密封座;另外,車球機與磨球機的進步,能夠制造一個圓度好的球體,封閉在閥殼內,就是一臺典型的浮動球球閥。
球閥的優點,一是全通徑;二是90°直角回轉。全通徑就是具有最小的流阻系數,相當于一段閥門結構長度的管道流阻,能耗最少,所以被用來長距離輸送天然氣、原油、成品油以及LNG等液化氣體,否則從新疆的輪南到上海的輸氣管線就要多建幾個壓縮機站。90°直角回轉提供了一個簡便、易于實現自動化的驅動方式。如果是傳統的直線行程開關閥,對于一個一米直徑的閥門來說,閥門啟閉件(閘板)就要提升一米以上的直線行程,那么閥門與執行機構的總高度在4米以上,結構非常龐大。因此,不僅在長輸管線,而且在很多工業領域球閥成為唯一的或者最優的選擇,從而成為在第二次世界大戰以來發展最快的閥門新品種。

VUM記者:

球閥有哪些結構型式,以及在工業化應用中的發展?

鄔佑靖先生:

最初的球閥就是現在稱之為浮動球球閥(Floating Ball Valve),球是浮動的,閥座是固定的。在介質作用下,啟閉件球體的球心會微小的偏離閥桿軸線,這種結構在上世紀五十年代,只適用于低壓(最高64bar)、中小口徑(8"以下)??趶降脑龃?,兩個PTFE制造的固定閥座不能支承球體重量,無法獲得有效的密封,或者夾持力過大,啟閉力矩大大增加。這樣,就出現了支承球球閥(Trunnion Mounted Ball Valve),球體上有兩個支耳,并有滑動軸承支承,保持球體回轉中心不變,而閥座是浮動的。國外,準確地稱之為支承球,浮動閥座球閥,國內不大準確地翻譯為固定球球閥。這種球閥適用于較高的壓力(Class 4500)和較大的口徑(NPS 60)。球閥逐步替代傳統的閘閥、截止閥的過程,開始是從低壓到高壓、從小口徑到大口徑,從油、水、氣的常規單相介質到帶固體顆粒的雙相、多相介質,以及腐蝕性的介質,出現了金屬密封球閥(Metal-Seated Ball Valve),這一發展結果,改變了閥門工作者對浮動球球閥的原始認識,與時俱進,浮動球球閥已經開始用于高壓、中、大口徑。經過半個多世紀的發展,球閥幾乎在所有工業領域均可取代傳統的閘閥、截止閥,成為閥門工業發展最快、銷量最大的閥門品種。

 

VUM記者:

據悉,您曾擔任國防科委系統不銹鋼氣動球閥聯合設計,能分享下當時的經歷嗎?期間遇到了哪些困難?

鄔佑靖先生:

國防科委系統不銹鋼氣動球閥設計,始于1971年,這是由于火箭發動機地面試驗,發射以及燃料、氧化劑(包括低溫液體)的儲運需要,這是一項系列化、標準化的工作。這項工作有幾個特點:操縱氣的壓力參照原蘇聯設計為50bar,是高壓氣動執行器,在國內第一次設計制造50bar的齒輪齒條執行器、撥叉式執行器、螺旋活塞式執行器以及槳葉式執行器。幾乎包括目前國際上的所有執行器的結構形式,遺憾的是當時沒有走產業化的道路;設計成功當時國內最大口徑DN400的固定球球閥,在球閥發展的初級階段,盲目地把浮動球的規格放大至DN300、DN400,結果發現兩側的PTFE密封座不能夾持中央球體,閥門不是泄漏就是扭矩很大,從國外一些著名的閥門公司了解到,他們從未將DN250以上的浮動球列入樣本中。之后開始設計固定球結構的球閥,并取得成功,用于低溫液體和燃料的輸送。對于快速氣動閥試制中出現過閥桿扭曲,而其扭曲的方向不是外部力矩施加方向,而是相反方向扭曲,這是高速回轉的球體慣性力作用的結果,從而解決了動應力的計算,這在開關小于1秒時可能發生;另外,搜集國外大量的唇式密封座的專利,設計帶有金屬彈性骨架唇式密封座的結構,擴大球閥的應用范圍(壓力和溫度),扭矩減輕,密封性能提高。這些標準化設計產品由當時上海市機電一局軍工組指定,由上海第二石油機械廠和上海耐萊斯﹒詹姆斯伯雷閥門有限公司的前身上海閥門七廠試制生產。這也是我個人與上海耐萊斯﹒詹姆斯伯雷閥門有限公司最早的合作。另外,這些經驗均有論文發表在1978年黃山召開的閥門年會和《閥門》雜志上,如“球閥密封比壓計算方法的探討”是運用彈性力學中的接觸理論計算球閥的密封比壓;“帶金屬彈性骨架唇式密封座的設計與計算”“螺旋活塞執行機構設計與計算”“快速氣動球閥閥桿的動應力”等論文有的被編入球閥的書籍,有的被一些論文所引用。

VUM記者:

我國球閥的發展大致經歷了哪幾個階段?每個階段的產品各有什么特點?

鄔佑靖先生:

我國球閥的發展,源于兩個各自獨立的系統。大致經歷了三個發展階段:
第一階段:大致為20世紀50年代末到70年代末期間。1958年在北京展覽館展出日本的浮動球球閥,國內通用閥門制造業以此樣機和樣本為基礎,發展成Q41系列浮動球球閥;爾后,引進日本KTM固定球球閥結構,發展了Q47系列固定球球閥;另外,為滿足航天工業發動機地面試驗的需要,以及燃料、氧化劑儲運設備的需要,參照原蘇聯的有關資料發展軍工系統用氣動不銹鋼球閥,而產品的設計基礎均參照原蘇聯貝科夫的《球閥》一書。貝科夫是一位從事液體火箭發動機試驗的工程師,這本書的某些內容被收集在閥門手冊中。一直到1978年在黃山召開第一屆閥門年會,兩個系統的閥門技術作了充分地交流。
第二階段:大致為20世紀80年代初至90年代末期間。改革開放以后,美國的閥門產品和ASME/ANSI的有關閥門設計、制造、試驗的標準及其相關材料標準為國內閥門界所接受,并以ASME B16.34為閥門的設計標準,以API 608、API 6D為閥門的產品標準,推出美標系列的球閥產品。一個標志性的發展是1992年美國JAMESBURY公司與原上海閥門七廠組建第一家中外合資企業。引進了以介質激勵下的撓性密封原理為基礎的高性能球閥和高性能蝶閥,使中國閥門的整體技術水平有了大幅度地提高。
閥門按作用在密封面上的力來分類,可以分為外力強制密封,如截止閥、中線襯膠蝶閥就是借助于外力的強制密封。另一種是利用介質的壓力差作用在密封面上,獲得可靠的密封。例如浮動球球閥,就是上、下游介質壓差引起的作用力,作用在下游端閥座上,獲得有效的密封。
利用介質壓差的作用力的密封技術可分為兩種密封原理。一種是填塞式密封(Jam-Seal),密封座是一塊實心的PTFE聚四氟乙烯塑料,在介質壓差作用下引起擠壓變形,這樣的密封座設計雖然是介質壓差密封,但扭矩大,抗溫度變化、壓差變化、抗磨損能力差。
我們希望密封材料像橡膠一樣,壓縮時會產生較大的變形,而當接觸應力消除后又能恢復到原來的形狀,這一現象稱之為材料的“記憶特性”,一個較好的例子是橡皮筋,可以被拉長,拉力一旦消失,就恢復原來的形狀。這就要使PTFE材料密封座的結構具有記憶特性,就是撓性密封座結構。至20世紀50年代初,球閥克服了填塞式密封的缺點,研制成功了介質壓力激勵的唇式密封技術(Pressure Energize-self Lip-Seal),這一結構設計,使密封座恢復了部分記憶特性,具備扭矩小以及較好的抗壓差變化、抗溫度變化、抗磨損的能力。
第三階段:及至21世紀開始,我國球閥在長輸管線球閥與金屬密封球閥方面取得了重要的發展。

VUM記者:

您能具體談一下,金屬密封球閥在中國的發展嗎?

鄔佑靖先生:

1970年以前的球閥和蝶閥都是軟密封,而無金屬密封。這有兩個原因,一是球閥已覆蓋閘閥的大多數應用領域;二是認為金屬密封結構簡單,只適用于閘閥、截止閥。金屬密封球閥最早可追溯到20世紀70年代中期,芬蘭NELES申請了NELDISC專利,用于造紙行業帶有植物纖維的紙漿的輸送。
自1991年開始,上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司作為芬蘭NELES的銷售代理,將金屬硬密封球閥推銷至中國,如上海焦化廠,山東魯南化工廠作為德士古氣化爐中的鎖渣閥,由于其惡劣的使用工況,壽命亦只有一年左右。至1997年他們收回了銷售權,并限制中方對這一產品的仿制,扼制了對該產品的國產化。
金屬硬密封球閥最早引起我的關注是1995年,一位在英國PROVAC公司服務的中國人王大民先生,帶來一個金屬球體和金屬密封座,他說芬蘭NELES的金屬密封球閥,球體和密封座是英國PROVAC公司制造的,現在這一公司有意向在中國組建一個合資企業。經一年的準備,PROVAC公司和挪威BANDAK公司在上??疾炝艘粋€星期,當時中國的閥門廠,無一家可以被外國公司看中,這樣動搖了他們在中國投資的決心,從而也喪失了這一巨大的中國市場。
但他們的合作意向書,對中國金屬硬密封球閥的發展指出了方向。做金屬密封球閥需要磨球機(Grinding Machine)、超音速噴涂設備(HVOF SYSTEM),以及真空重熔設備(VACUUM FORNACE FUSION)。
及至2004年,神華集團建設煤直接液化工廠,上海電氣集團組織了一個煤液化辦公室來推動煤液化裝備供應。這一行政性的機構很快被商業浪潮所湮沒。中國發展建設了幾十個殼牌煤氣化工藝,在安慶、湖南株洲、陜西渭南等建設殼牌氣化爐。為適應煤氣化項目的需要,中國企業開始仿制芬蘭NELES的產品,如上海弘盛特種閥門制造有限公司、上海開維喜閥門集團等,產品的國產化率目前已基本達到80%以上。上海開維喜閥門集團是金屬密封球閥發展最快的企業,他們從國內外購置數十臺磨球機,引進普萊克斯超音速噴涂設備,建立高溫金屬球閥的模擬試驗裝置,在全國設立金屬硬密封球閥修理公司,建立銷售網絡,消化吸收MOGAS、VTI、VELAN、ARGUS等金屬密封球閥技術,并擁有自己的品牌,從而占有近50%左右的金屬硬密封球閥市場,對中國金屬硬密封球閥的國產化做出了貢獻。

VUM記者:

在長輸管線球閥國產化的進程中,上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司引領全焊接閥體管線球閥的國產化,請您詳細介紹下這一國產化的進程。

鄔佑靖先生:

管線球閥(Pipeline Ball Valve)是球閥發展中一個最重要的方面。在全世界近260萬公里的長輸管線中,有大約20萬臺以上的緊急切斷閥在管線中服役,總價值約750億美元。它的產品標準是API 6D/ISO 14313。
2000年之前,我國只擁有長輸管線2萬公里,占全球260萬公里管線的0.8%。作為緊急切斷閥的全焊接閥體管線球閥全部都選用美國CAMERON公司產品。2000年之后,在國家關于開發西部、使用綠色能源的政策指導下,天然氣管線每年以一萬公里的速度增長。西氣東輸一線其中全焊接閥體緊急切斷閥全部采購國外產品,分體式鍛鋼閥體管線球閥則由上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司供貨,每年需要從國外進口2.5億美元的全焊接球閥。
長輸管線對閥門的要求非常高。由于要承受管道沉降、移動、熱應力變化、地震和泥石流多種外載荷作力,因此,對閥門整體強度要求高,各種嚴酷環境下必須確保使用安全。當局部管道出現重大事故(如泄漏)時,閥門要能迅速關閉并確保密封可靠無泄漏,否則有可能導致事態失控。因此,要求閥門關鍵時刻操作不失靈,確保性能穩定。全焊接球閥具有無外漏、免維護、可埋地、剛度好、重量輕、壽命長等優點。
為保障能源的安全供應和降低管線管道的工程造價,國家發改委在2000年8月召開“全焊接閥體管線球閥”國產化會議,上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司和自貢高壓閥門股份有限公司是最早參與的兩家企業,在國家財政政策的支助下,自貢高壓閥門股份有限公司從意大利新比?。∟UOVO PIGNONE)引進技術和焊接裝備,于2003年試制成功。上海耐萊斯•詹姆斯伯雷閥門有限公司則發揮上海地理優勢,綜合高校的技術資源,獨立自主在2005年研制成功DN500,Class 600的全焊接球閥,而其重要的意義是擁有自主技術創新。例如,焊接閥頸替代國外螺栓連接閥頸,并被美國CAMERON公司認可,在他們的新樣本作為選項設計;采用LF6材料作為閥門與管線焊接的過渡段材料,對國外采用A694 F60、A694 F70提出質疑,并已被國內閥門廠認同和采用;在全球閥門制造業中第一次運用斷裂力學理論對焊縫進行全厚度,-46℃溫度下的CTOD試驗,并按照FAD失效評定曲線進行免焊后熱處理安全評估,為大型全焊接球閥的主焊縫焊接免焊后熱處理提供科學依據。

隨著西氣東輸二線建設的開始,2007年12月啟動了Class 900,NPS 48(DN1200)大口徑全焊接閥門的國產化計劃。這一規格尺寸的閥門在全世界服役的當時只有13臺,在能源局的領導下,試制成功10臺樣機,并于2010年順利通過工業性運行試驗,已在西氣東輸三線服役。

目前,正在為西氣東輸四、五、六線Φ1422管徑,12MPa輸送壓力,試制Class 900,NPS 56的超大型管線球閥,這一規格的管線球閥,全世界只生產過兩臺,在俄羅斯一條試驗管線上運行。在API 6D的標準中,也無此規格。因此這是一項世界級的新產品的開發。預計在2014年下半年可以完成試制任務,提供鑒定,在新疆一條230公里的備用管線上服役。

VUM記者:

與球閥有關的國際、國內標準有哪些,這些規范對閥門發展起到什么作用?您曾經發表過一篇文章“閥門設計的重大變革”,能否談一下這方面的設想。

鄔佑靖先生:


20世紀五六十年代,我國的閥門是按原蘇聯的閥門設計手冊設計,計算工作量很大。20世紀六十年代末,美國工程師協會B16.34分會起草了一份閥門的設計標準來規范閥門的設計,即ASME B16.34《法蘭端 螺紋端 焊接端鋼制閥門》。這一標準的最大貢獻是定義了一個閥門的壓力等級,Class150,Class300,Class600……等,然后對于某一閥門材料組別,給出一個閥門壓力級與閥門的工作壓力、工作溫度關系圖表。這樣閥門制造廠按閥門的壓力等級來設計制造閥門,從而使閥門容易實現標準化,系列化設計。
為進一步簡化閥門的設計,ASME B16.34給出閥門最小壁厚與閥門通徑、壓力等級的函數關系圖表,閥門殼體的強度設計只需查表即可,無須進行繁瑣的計算。這樣,給閥門制造業帶來了很大方便,對保障閥門的安全服役做出重要的貢獻。
但是問題有它的兩面性。這樣一個不考慮閥門種類,閥體的結構型式,一個組別內材料的不同強度給出的最小壁厚,是一個“保守的上限值”。這一值對中小閥門影響不大,隨著口徑增大,壓力等級提高,材料的消耗增加很大。例如一個Class900,NPS48的球閥,德國舒克公司按AD2000設計的重量為19噸,而按B16.34設計的重量為28.5噸,所以閥門制造業按ASME第Ⅷ卷鍋爐壓力容器建造規則設計勢在必行。
API 6D-2008,第23版考慮到這一問題,在新版中做出重大的改變:“承壓元件的設計和計算方法應按照國際上認可的設計規范或標準規定,同時考慮到管道的負載,操作力等”同時指出“國際上認可的設計規范或標準,例如ASME第Ⅷ卷第一篇或第二篇,ASME B16.34,EN 12516-1和EN 13445-3。”也就是API 6D標準的閥門設計,買方和賣方可任選一個標準來進行設計。
英國BS EN12516-2在2004年就已經給出一個新的標準,《工業閥門-殼體設計強度第二篇鋼制閥門殼體的計算方法》就是鑒于上述閥門發展背景提出的,閥體的壁厚用計算法代替查表法,采用開孔補強法則,以及閥體法蘭的強度計算規則等。
閥門制造業由于長期習慣于采用B 16.34的查表法,對于鍋爐壓力容器的建造規則法缺少了解,面臨按新標準設計的挑戰。
當前首要的問題,針對閥門設計的需要進行按ASME Ⅷ鍋爐壓力容器建造規則設計的技術培訓來提高中國閥門制造業的整體水平。這涉及高等材料力學、彈性力學的基礎知識,例如薄膜應力理論,圓柱殼體的彎曲理論與邊界效應,應力集中與開孔補強,壓力容器的應力分類與限制條件,強度理論與強度設計,ASME Ⅷ-(2)中的按規則法設計,按分析設計,以及標準中有限元分析數據線性化處理等基本知識需要進行專業技術培訓。

VUM記者:

最后請您談一下,未來球閥的發展趨向以及中國閥門制造業發展方向。

鄔佑靖先生:


中國球閥的發展已經有六十年的歷史,可以說已是一個傳統的產品,它應該繼續發揮其全通徑和90°行程回轉的兩大優點,向高參數方向發展,例如更高壓力、更高溫度或極低溫度以及耐磨損、耐沖刷、耐腐蝕的方向發展,以及在特殊的工業領域中的應用。例如,隨著油氣工業的發展急需LNG球閥與海底球閥,這些閥門對閥門制造業來說存在著可觀的利潤空間。例如,中海油向美國CAMERON采購一臺海底閥門約一億人民幣,是高技術的產品。
另一個發展方向,是閥門的集成化處理,滿足某一特定流程的需要,如HIPPS系統,高壓水泵出口的最小流量閥是止回閥與旁通調節閥的組合,控制閥集成系統,海底閥門撬裝等。
但是,對中國閥門制造業來說,首先必須把自身企業改造成一個現代化的閥門制造業,現代化的閥門設計技術,現代化的制造技術——柔性加工系統和現代化的管理。要培養一支掌握現代閥門設計技術,又有實際經驗的技術隊伍,迎接閥門制造業的新發展。