煤气管道球阀的选用

ranqi

随着我国城市化的发展，城市燃气管道的应用越来越多，因为燃气管道具有运输成本低、使用方便，燃气燃烧后产生的污染少等优点，在我国的应用越来越广。
由于石油价格的不断上涨，人们寻求相应便宜的其他能源，因此煤化工技术又受青睐。我国是煤炭资源丰富的国家，发展煤化工产业既具有重要的战略意义，又具有现实经济意义，符合我国国情。
在煤化工设备和管道中，阀门的使用量特别大，尤其是性能优越的球阀，在煤化工和煤气管道中用量最多。
一、煤气的性质特点
1.煤气是无色的有特殊臭味的易燃易爆的剧毒气体，其主要成份有：甲烷（CH4）、氢气（H2）、一氧化碳（CO）、硫化氢（H2S）、氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）、煤焦油、石蜡、苯、硫以及少量的其他碳氢化合物。煤气自然点为648.89℃，爆炸极限为4.5％～40％，最易引起燃烧浓度为21％，最大爆炸力为0.8MPa，燃烧值为3000～6000kcal/m3，煤气密度为0.4～0.6（空气为1）。
2.煤气与空气混合能成为爆炸混合物，一旦遇有火星、高温就有燃烧、爆炸 的危险。
3.煤气是由煤或焦炭、半焦炭等固体燃料或重油等液体燃料经干馏或气化制得。
4.由于煤气是一种剧毒气体，当人体吸入后就会引起重度的中毒症状，如昏迷、肺水肿、脑水肿、呼吸困难或不规则、心律失常、在短时间内休克甚至死亡。
了解煤气这些性质和特点，我们便能有针对性，合理选择阀门，一旦发生意外，便于采取措施，加以防范，将损失减少到最低限度。
二、煤气管道用球阀
球阀由于结构简单，操作快捷，密封性能好，使用维修方便而成为发展最快的阀门品种，不论是工业管道上，还是民用管道上，都广泛使用，特别是煤气管道上，用量最大。
1.球阀的结构特点与性能
球阀（如图1）是由主阀体、副阀体、阀座圈、球体、阀杆、填料、填料压盖、定位块、手柄等零件组成。
球阀结构分为浮动球式和固定球式。
球阀的体积小、构造简单、流体阻力小，是所有阀门类流体阻力最小的一种。
球阀开关迅速、方便，只需将球体转动0～90°便完成阀门的开启或关闭动作。用作煤气管道上快速切断介质非常适合。
由于球阀有2个阀座，双面密封，又采用有一定弹性的F4材料，所以密封性能良好。球阀的连接方式很多，常用的有法兰连接、对焊连接、螺纹连接、卡套式连接等。球阀的公称压力一般为：PN10、16、25、40、63几个等级，美标球阀门的压力有150Lb、300Lb、600Lb。煤气管道上常用的压力为PN16～25（150Lb）。球阀的结构简单，所以价格特别低廉，符合老百姓的消费心理。在煤气管道走进千家万户的时代，球阀成为销量最大的阀种。

图 1 浮动球式球阀
2.球阀所采用的材料
随着石油化工、煤化工、电力、冶炼、建筑工业的快速发展，不仅需要大量的常规阀门，而且需要适应各种工况条件的特殊阀门，有的要求耐腐蚀，有的要求耐磨损，有的要求耐高温，有的要求耐高压，有的要求防火、防静电。因此对材料的要求也各不相同，如球墨铸铁、碳钢、不锈钢、合金钢、钛、铜合金、铝合金、蒙乃尔合金、哈氏合金、陶瓷、塑料等等，几乎所有金属材料和非金属材料都适用于工业阀门。
一般管道球阀所用的材料为球墨铸铁、碳钢、不锈钢、塑料、陶瓷等。
3.煤气用球阀的制造标准和特殊要求
球阀的设计制造标准： GB/T12237《通用阀门-法兰和对焊连接钢制球阀》、JB/T7745《管线球阀》，国外工业标准有API6D、API608、。试验标准：GB/T13927《通用阀门-压力试验》、JB/T6899《阀门的耐火试验》，国外标准为API598、API6D、 API6FA。
前面我们已经叙述过煤气的性质特点，作为这样的易燃易爆的介质，在使用中对煤气用球阀提出了一些严格的要求，为了使用安全，以人为本，这些要求是必要的，我们在阀门的设计制造中必须遵守。
a.阀杆防脱钩结构
过去有些球阀阀杆的设计是采用从外部插入式结构（如图2），此种结构的球阀在工况运行中，阀杆始终承受流体介质的压力，产生使其向外脱出的力。一般是采用填料压盖从上部压紧阀杆轴肩的方式，来防止阀杆脱出。
此外，设置压盖填料也是防止阀杆处产生渗漏，由于阀杆的作用，也会使填料产生磨损，发生渗漏，在这种情况下，一般是用添加填料的方法来解决。

为了防止填料压盖的螺栓破损失效，造成阀杆飞出，危及操作者，流体介质大量喷出，导致重大事故。因此在设计上我公司根据标准的特殊要求，采用了阀杆从本体内向外穿出的结构（如图3），此结构具有在发生火灾填料烧失的情况下，也能防止产生较大泄漏的功能。这是因为流体介质压力作用，阀杆凸肩上平面与本体填料函凸台下平面间自动实现金属密封（硬密封），从而保证了使用安全可靠。

b.防静电结构
球阀的阀座一般采用聚四氟乙烯（F4）等氟塑料。由于F4材料具有自润滑性、磨损小，密封性能好，故使用寿命长。确保了球阀的密封性，提高了维修的简便性。但在另一方面，由于这些非导电材料，在高温、高速气体介质和高绝缘性等介质自身摩擦或开关球阀的球体与阀座接触摩擦的状态下，就会产生静电。如果压盖填料和阀杆轴套同为树脂材料，那么阀杆和阀体等就相当于在本体内被绝缘体包围起来。如果流体是酸、碱、水等导电介质，所产生的静电可以通过流体→管道→管路支架的途径向地面放电，但对于气体或石油这种非导电流体介质，阀体、球体等就要带电，如形不成放电回路，就会产生电火花。此时对于易燃易爆的气体，石油产品和氧气等流体介质而言，即使是微弱的放电火花亦可将其引燃，前面我们了解到煤气一遇火星便可引起燃烧爆炸，后果不堪设想。为避免这种现象的发生，及时释放静电，故在阀杆中设弹簧针销（如图4），这样就使阀体与阀杆及球体之间形成导电回路，当产生静电时，就能够使静电通过球体→阀杆→阀体→管道→管路支架的途经流向大地，防止电火花的产生。这种带防静电装置的结构被一些重要工程所采用，如输油管线、输气管线。在煤气管道上，如储气罐、主管线、重要支线管路上都应安装这样结构的球阀。

4.防火自密封结构
因为球阀的阀座、填料、垫片和衬套是采用聚四氟乙烯（F4）等树脂材料，一旦发生火灾，阀门在高温下，这些塑料零件就会烧失，丧失阀门应有的功能，产生流体介质向外泄漏。为避免火灾阀门失效现象的发生，要求球阀应具有在火灾状态下也能满足流体密封的结构。为此，我公司设计的球阀（如图5），具有防火自密封的功能。

结构原理：阀座采用双道密封（软密封和金属密封），在正常工作条件下，用软密封（F4）与球构成密封。发生火灾烧失情况，软密封被烧毁而金属密封在介质压力作用下被推进球体吻合构成密封。金属密封一般加工有锥形边缘，能够与球体粘合而密封。即使密封不佳，我们还能通过注射咀（如图6）向阀座内注射密封脂采取应急强制性密封，达到使用的安全可靠性。阀杆一般也采用聚四氟乙烯（F4）与柔性石墨二道密封，同样在第一道密封失效时，可采用第二道进行密封。从而达到密封的作用，减少损失。这种结构还具有自动泄压功能，前面我们了解煤气的一些特性，当燃烧温度升高时，阀门内会产生异常升压，导致阀门破裂，如不及时泄压，会产生严重后果。当发生这种情况时，阀座在高压力的推动下，压缩弹簧，推动阀座向后移动，从而释放过高压力，保证阀门的安全可靠的运行。
5.锁闭机构
由于球阀操作简便，只需将手柄旋转90°即可进行开启或关闭。如果将球阀手柄长期置于其上，容易被无关人员搬弄或无意碰撞等原因导致阀门开启或关闭，极易造成事故。前面我们已经看到，煤气是十分危险的介质，一旦因错误操作，将产生严重后果。因而，根据用户要求，在一些重要的煤气管道上使用的球阀，我们设计有锁闭机构（如图7）。工作人员根据操作规程，将需要长期关闭或开启的阀门锁上，能保证使用安全，万无一失。

三、煤气管道球阀的选用
煤气管道线路范围比较广，既有长距离输送管道，也有从煤气厂输出的管道。这类管道为主干线管道，直径可达Φ1000mm以上，也有通往各用户单位支线管道，还有直径为Φ20mm的居民室内用管道。
由于管径大小不同，压力等级不同，因此对管道上所用球阀的要求也不一样。
根据我国城市燃气设计规范，燃气输配管分为如下5个压力等级：
高压A级：0.8＜P≤1.6MPa
高压B级：0.4＜P≤0.8MPa
中压A级：0.2＜P≤0.4MPa
中压B级：0.005＜P≤0.2MPa
低压：P≤0.005MPa
一般来说，在主干线高压管网中所使用的球阀除口径比较大、压力比较高外，应安装选用带有防火、防静电结构的阀门（如图5），主要支线中压管网上球阀，也应采用这种结构的阀门。在通往各使用单位和居民区的主要中压管网上应有一定数量的防火、防静电结构的球阀，只有通往各居民室内，而管径又比较小（Φ20mm左右）的情况下，选用常规普通球阀便可（如图8）。

三、 结语
通过对煤气管道球阀结构特性的分析与介绍，使我们能合理地选用阀门，安全地使用阀门。