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球阀在中国的发展

来源:dqvalve.com 编辑:Admin

球阀在中国的发展

Development of Ball Valve in China

——访上海耐莱斯•詹姆斯伯雷阀门有限公司总工程师邬佑靖先生

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

文_曹江漫 《阀门用户》编辑部

球阀(Ball Valve)是在旋塞阀的基础上发展起来的阀门新品种,它有一个中间通孔的球体作为阀门的启闭件,两侧有两个非金属或金属制造的密封座,包容在一个阀壳内,通过阀杆,使之作90°回转,藉以完成阀门的“开”“关”功能。与其它阀门相比较,球阀的全通径、低流阻,与开关迅速,便于实现自动化的两大优点,在半个多世纪以来,几乎在所有的工业领域,从低压到高压,低温、极低温到高温,从单相流到气固、液固和气液双相流,从洁净介质到腐蚀性介质,获得了广泛的应用,发展成为阀门制造业中最大的一种阀类。
目前生产球阀的企业很多,几乎所有阀门生产企业都会涉及这一产品,随着工业生产规模的不断发展,以及新型工艺的不断涌现,除了传统的软密封球阀,适用于高温、高压、强冲蚀等工况下的金属密封球阀被工程师设计研发出来,目前金属密封球阀在石化、煤化工、多晶硅、电力、冶金矿山等行业使用越来越广泛。目前国际上比较著名的金属硬密封球阀品牌有:美国MOGAS、美国VTI、加拿大VELAN、德国ARGUS等。
管道输送技术经半个多世纪的发展,形成了全球性的油、气输送管网,这是人类赖以生存的能源供应系统。全世界拥有长输管线260万公里。天然气的输送95%以上采用管线输送方式。管线阀门是指石油和天然气工业管道输送系统用的球阀、止回阀、闸阀和旋塞阀。其中以球阀用量最大,约占70%以上。世界知名管线球阀企业有美国卡麦隆(CAMERON)、加拿大威兰(VELAN)、德国舒克(SCHUCK)、意大利派诺(PERAR)和新比隆(NUOVO PIGNONE)、捷克MSA、日本替克斯(TIX)等。
在石油、化工、天然气、电力、冶金等行业,除了有大量的通用球阀,还有部分应用于高温、高压、低温、真空、强腐蚀性等严苛工况的特种球阀,例如应用于液化天然气(LNG)、液化石油气等的低温球阀、应用于石化行业乙烯装置的金属硬密封高温球阀、应用于煤化工行业的轨道球阀等,这些工况对阀门的要求严格,一旦发生泄漏或停车,就不能维持正常的工艺生产,甚至导致一些事故发生。
为保障能源供应安全和降低工程造价,国家发改委、能源局正大力推进重大关键设备的国产化,在阀门制造业亦取得了可喜的成果,如用于天然气管线的大口径全焊接管线球阀;核电阀门;煤化工中的锁渣阀、氧阀等;国产率已达到90%以上。这对于国外阀门厂商而言造成了很大影响,甚至退出中国市场。为应对该挑战,国外阀门企业积极参与中国阀门行业的整合行动,力图通过独资、并购、合资、技术合作等多种投资方式快速扩充产品范围,提升市场份额,并构建新的市场竞争格局。通过以上方式将自有的专利技术转化为适合于中国的实用产品专利,即国外产品国产化,成为国外阀门企业的在中国的又一条生存之路。
为使读者更加清楚全面地了解球阀有关知识,本刊将从“球阀在中国的发展”“国外球阀产品的国产化之争”“特种球阀的发展及应用”等不同角度为读者梳理球阀的发展之路,聊一聊球阀的故事。
本期,特邀中国阀协专家组顾问邬佑靖高级工程师,畅谈球阀在中国的发展。


VUM记者:

能简单介绍下球阀的问世,与其它种类的阀门相比,球阀在实际应用中具有哪些突出的优点?

邬佑靖先生:

球阀的最早发明可追溯至1910年3月28日,美国人R.L.Hobbs向美国专利局提交了一份阀门结构的申请,并于1911年6月28日批准,专利号为982815。该发明涉及一种阀门的类型,一个球状的启闭件,置于阀壳的中心,两侧各有一个环状密封座,通过阀杆使球形关闭件作90°回转,藉此达到开启或切断流体的功能。这是球阀最早的雏形。
但是,一直到第二次世界大战结束后,球阀才开始得到迅速的发展。这是由于1943年美国杜邦公司发明了PTFE四氟塑料。这种材料具有一定的强度、较低摩擦系数和优秀的耐腐蚀的性能,适宜用作球阀的密封座;另外,车球机与磨球机的进步,能够制造一个圆度好的球体,封闭在阀壳内,就是一台典型的浮动球球阀。
球阀的优点,一是全通径;二是90°直角回转。全通径就是具有最小的流阻系数,相当于一段阀门结构长度的管道流阻,能耗最少,所以被用来长距离输送天然气、原油、成品油以及LNG等液化气体,否则从新疆的轮南到上海的输气管线就要多建几个压缩机站。90°直角回转提供了一个简便、易于实现自动化的驱动方式。如果是传统的直线行程开关阀,对于一个一米直径的阀门来说,阀门启闭件(闸板)就要提升一米以上的直线行程,那么阀门与执行机构的总高度在4米以上,结构非常庞大。因此,不仅在长输管线,而且在很多工业领域球阀成为唯一的或者最优的选择,从而成为在第二次世界大战以来发展最快的阀门新品种。

VUM记者:

球阀有哪些结构型式,以及在工业化应用中的发展?

邬佑靖先生:

最初的球阀就是现在称之为浮动球球阀(Floating Ball Valve),球是浮动的,阀座是固定的。在介质作用下,启闭件球体的球心会微小的偏离阀杆轴线,这种结构在上世纪五十年代,只适用于低压(最高64bar)、中小口径(8"以下)。口径的增大,两个PTFE制造的固定阀座不能支承球体重量,无法获得有效的密封,或者夹持力过大,启闭力矩大大增加。这样,就出现了支承球球阀(Trunnion Mounted Ball Valve),球体上有两个支耳,并有滑动轴承支承,保持球体回转中心不变,而阀座是浮动的。国外,准确地称之为支承球,浮动阀座球阀,国内不大准确地翻译为固定球球阀。这种球阀适用于较高的压力(Class 4500)和较大的口径(NPS 60)。球阀逐步替代传统的闸阀、截止阀的过程,开始是从低压到高压、从小口径到大口径,从油、水、气的常规单相介质到带固体颗粒的双相、多相介质,以及腐蚀性的介质,出现了金属密封球阀(Metal-Seated Ball Valve),这一发展结果,改变了阀门工作者对浮动球球阀的原始认识,与时俱进,浮动球球阀已经开始用于高压、中、大口径。经过半个多世纪的发展,球阀几乎在所有工业领域均可取代传统的闸阀、截止阀,成为阀门工业发展最快、销量最大的阀门品种。

 

VUM记者:

据悉,您曾担任国防科委系统不锈钢气动球阀联合设计,能分享下当时的经历吗?期间遇到了哪些困难?

邬佑靖先生:

国防科委系统不锈钢气动球阀设计,始于1971年,这是由于火箭发动机地面试验,发射以及燃料、氧化剂(包括低温液体)的储运需要,这是一项系列化、标准化的工作。这项工作有几个特点:操纵气的压力参照原苏联设计为50bar,是高压气动执行器,在国内第一次设计制造50bar的齿轮齿条执行器、拨叉式执行器、螺旋活塞式执行器以及桨叶式执行器。几乎包括目前国际上的所有执行器的结构形式,遗憾的是当时没有走产业化的道路;设计成功当时国内最大口径DN400的固定球球阀,在球阀发展的初级阶段,盲目地把浮动球的规格放大至DN300、DN400,结果发现两侧的PTFE密封座不能夹持中央球体,阀门不是泄漏就是扭矩很大,从国外一些著名的阀门公司了解到,他们从未将DN250以上的浮动球列入样本中。之后开始设计固定球结构的球阀,并取得成功,用于低温液体和燃料的输送。对于快速气动阀试制中出现过阀杆扭曲,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,这是高速回转的球体惯性力作用的结果,从而解决了动应力的计算,这在开关小于1秒时可能发生;另外,搜集国外大量的唇式密封座的专利,设计带有金属弹性骨架唇式密封座的结构,扩大球阀的应用范围(压力和温度),扭矩减轻,密封性能提高。这些标准化设计产品由当时上海市机电一局军工组指定,由上海第二石油机械厂和上海耐莱斯﹒詹姆斯伯雷阀门有限公司的前身上海阀门七厂试制生产。这也是我个人与上海耐莱斯﹒詹姆斯伯雷阀门有限公司最早的合作。另外,这些经验均有论文发表在1978年黄山召开的阀门年会和《阀门》杂志上,如“球阀密封比压计算方法的探讨”是运用弹性力学中的接触理论计算球阀的密封比压;“带金属弹性骨架唇式密封座的设计与计算”“螺旋活塞执行机构设计与计算”“快速气动球阀阀杆的动应力”等论文有的被编入球阀的书籍,有的被一些论文所引用。

VUM记者:

我国球阀的发展大致经历了哪几个阶段?每个阶段的产品各有什么特点?

邬佑靖先生:

我国球阀的发展,源于两个各自独立的系统。大致经历了三个发展阶段:
第一阶段:大致为20世纪50年代末到70年代末期间。1958年在北京展览馆展出日本的浮动球球阀,国内通用阀门制造业以此样机和样本为基础,发展成Q41系列浮动球球阀;尔后,引进日本KTM固定球球阀结构,发展了Q47系列固定球球阀;另外,为满足航天工业发动机地面试验的需要,以及燃料、氧化剂储运设备的需要,参照原苏联的有关资料发展军工系统用气动不锈钢球阀,而产品的设计基础均参照原苏联贝科夫的《球阀》一书。贝科夫是一位从事液体火箭发动机试验的工程师,这本书的某些内容被收集在阀门手册中。一直到1978年在黄山召开第一届阀门年会,两个系统的阀门技术作了充分地交流。
第二阶段:大致为20世纪80年代初至90年代末期间。改革开放以后,美国的阀门产品和ASME/ANSI的有关阀门设计、制造、试验的标准及其相关材料标准为国内阀门界所接受,并以ASME B16.34为阀门的设计标准,以API 608、API 6D为阀门的产品标准,推出美标系列的球阀产品。一个标志性的发展是1992年美国JAMESBURY公司与原上海阀门七厂组建第一家中外合资企业。引进了以介质激励下的挠性密封原理为基础的高性能球阀和高性能蝶阀,使中国阀门的整体技术水平有了大幅度地提高。
阀门按作用在密封面上的力来分类,可以分为外力强制密封,如截止阀、中线衬胶蝶阀就是借助于外力的强制密封。另一种是利用介质的压力差作用在密封面上,获得可靠的密封。例如浮动球球阀,就是上、下游介质压差引起的作用力,作用在下游端阀座上,获得有效的密封。
利用介质压差的作用力的密封技术可分为两种密封原理。一种是填塞式密封(Jam-Seal),密封座是一块实心的PTFE聚四氟乙烯塑料,在介质压差作用下引起挤压变形,这样的密封座设计虽然是介质压差密封,但扭矩大,抗温度变化、压差变化、抗磨损能力差。
我们希望密封材料像橡胶一样,压缩时会产生较大的变形,而当接触应力消除后又能恢复到原来的形状,这一现象称之为材料的“记忆特性”,一个较好的例子是橡皮筋,可以被拉长,拉力一旦消失,就恢复原来的形状。这就要使PTFE材料密封座的结构具有记忆特性,就是挠性密封座结构。至20世纪50年代初,球阀克服了填塞式密封的缺点,研制成功了介质压力激励的唇式密封技术(Pressure Energize-self Lip-Seal),这一结构设计,使密封座恢复了部分记忆特性,具备扭矩小以及较好的抗压差变化、抗温度变化、抗磨损的能力。
第三阶段:及至21世纪开始,我国球阀在长输管线球阀与金属密封球阀方面取得了重要的发展。

VUM记者:

您能具体谈一下,金属密封球阀在中国的发展吗?

邬佑靖先生:

1970年以前的球阀和蝶阀都是软密封,而无金属密封。这有两个原因,一是球阀已覆盖闸阀的大多数应用领域;二是认为金属密封结构简单,只适用于闸阀、截止阀。金属密封球阀最早可追溯到20世纪70年代中期,芬兰NELES申请了NELDISC专利,用于造纸行业带有植物纤维的纸浆的输送。
自1991年开始,上海耐莱斯•詹姆斯伯雷阀门有限公司作为芬兰NELES的销售代理,将金属硬密封球阀推销至中国,如上海焦化厂,山东鲁南化工厂作为德士古气化炉中的锁渣阀,由于其恶劣的使用工况,寿命亦只有一年左右。至1997年他们收回了销售权,并限制中方对这一产品的仿制,扼制了对该产品的国产化。
金属硬密封球阀最早引起我的关注是1995年,一位在英国PROVAC公司服务的中国人王大民先生,带来一个金属球体和金属密封座,他说芬兰NELES的金属密封球阀,球体和密封座是英国PROVAC公司制造的,现在这一公司有意向在中国组建一个合资企业。经一年的准备,PROVAC公司和挪威BANDAK公司在上海考察了一个星期,当时中国的阀门厂,无一家可以被外国公司看中,这样动摇了他们在中国投资的决心,从而也丧失了这一巨大的中国市场。
但他们的合作意向书,对中国金属硬密封球阀的发展指出了方向。做金属密封球阀需要磨球机(Grinding Machine)、超音速喷涂设备(HVOF SYSTEM),以及真空重熔设备(VACUUM FORNACE FUSION)。
及至2004年,神华集团建设煤直接液化工厂,上海电气集团组织了一个煤液化办公室来推动煤液化装备供应。这一行政性的机构很快被商业浪潮所湮没。中国发展建设了几十个壳牌煤气化工艺,在安庆、湖南株洲、陕西渭南等建设壳牌气化炉。为适应煤气化项目的需要,中国企业开始仿制芬兰NELES的产品,如上海弘盛特种阀门制造有限公司、上海开维喜阀门集团等,产品的国产化率目前已基本达到80%以上。上海开维喜阀门集团是金属密封球阀发展最快的企业,他们从国内外购置数十台磨球机,引进普莱克斯超音速喷涂设备,建立高温金属球阀的模拟试验装置,在全国设立金属硬密封球阀修理公司,建立销售网络,消化吸收MOGAS、VTI、VELAN、ARGUS等金属密封球阀技术,并拥有自己的品牌,从而占有近50%左右的金属硬密封球阀市场,对中国金属硬密封球阀的国产化做出了贡献。

VUM记者:

在长输管线球阀国产化的进程中,上海耐莱斯•詹姆斯伯雷阀门有限公司引领全焊接阀体管线球阀的国产化,请您详细介绍下这一国产化的进程。

邬佑靖先生:

管线球阀(Pipeline Ball Valve)是球阀发展中一个最重要的方面。在全世界近260万公里的长输管线中,有大约20万台以上的紧急切断阀在管线中服役,总价值约750亿美元。它的产品标准是API 6D/ISO 14313。
2000年之前,我国只拥有长输管线2万公里,占全球260万公里管线的0.8%。作为紧急切断阀的全焊接阀体管线球阀全部都选用美国CAMERON公司产品。2000年之后,在国家关于开发西部、使用绿色能源的政策指导下,天然气管线每年以一万公里的速度增长。西气东输一线其中全焊接阀体紧急切断阀全部采购国外产品,分体式锻钢阀体管线球阀则由上海耐莱斯•詹姆斯伯雷阀门有限公司供货,每年需要从国外进口2.5亿美元的全焊接球阀。
长输管线对阀门的要求非常高。由于要承受管道沉降、移动、热应力变化、地震和泥石流多种外载荷作力,因此,对阀门整体强度要求高,各种严酷环境下必须确保使用安全。当局部管道出现重大事故(如泄漏)时,阀门要能迅速关闭并确保密封可靠无泄漏,否则有可能导致事态失控。因此,要求阀门关键时刻操作不失灵,确保性能稳定。全焊接球阀具有无外漏、免维护、可埋地、刚度好、重量轻、寿命长等优点。
为保障能源的安全供应和降低管线管道的工程造价,国家发改委在2000年8月召开“全焊接阀体管线球阀”国产化会议,上海耐莱斯•詹姆斯伯雷阀门有限公司和自贡高压阀门股份有限公司是最早参与的两家企业,在国家财政政策的支助下,自贡高压阀门股份有限公司从意大利新比隆(NUOVO PIGNONE)引进技术和焊接装备,于2003年试制成功。上海耐莱斯•詹姆斯伯雷阀门有限公司则发挥上海地理优势,综合高校的技术资源,独立自主在2005年研制成功DN500,Class 600的全焊接球阀,而其重要的意义是拥有自主技术创新。例如,焊接阀颈替代国外螺栓连接阀颈,并被美国CAMERON公司认可,在他们的新样本作为选项设计;采用LF6材料作为阀门与管线焊接的过渡段材料,对国外采用A694 F60、A694 F70提出质疑,并已被国内阀门厂认同和采用;在全球阀门制造业中第一次运用断裂力学理论对焊缝进行全厚度,-46℃温度下的CTOD试验,并按照FAD失效评定曲线进行免焊后热处理安全评估,为大型全焊接球阀的主焊缝焊接免焊后热处理提供科学依据。

随着西气东输二线建设的开始,2007年12月启动了Class 900,NPS 48(DN1200)大口径全焊接阀门的国产化计划。这一规格尺寸的阀门在全世界服役的当时只有13台,在能源局的领导下,试制成功10台样机,并于2010年顺利通过工业性运行试验,已在西气东输三线服役。

目前,正在为西气东输四、五、六线Φ1422管径,12MPa输送压力,试制Class 900,NPS 56的超大型管线球阀,这一规格的管线球阀,全世界只生产过两台,在俄罗斯一条试验管线上运行。在API 6D的标准中,也无此规格。因此这是一项世界级的新产品的开发。预计在2014年下半年可以完成试制任务,提供鉴定,在新疆一条230公里的备用管线上服役。

VUM记者:

与球阀有关的国际、国内标准有哪些,这些规范对阀门发展起到什么作用?您曾经发表过一篇文章“阀门设计的重大变革”,能否谈一下这方面的设想。

邬佑靖先生:


20世纪五六十年代,我国的阀门是按原苏联的阀门设计手册设计,计算工作量很大。20世纪六十年代末,美国工程师协会B16.34分会起草了一份阀门的设计标准来规范阀门的设计,即ASME B16.34《法兰端 螺纹端 焊接端钢制阀门》。这一标准的最大贡献是定义了一个阀门的压力等级,Class150,Class300,Class600……等,然后对于某一阀门材料组别,给出一个阀门压力级与阀门的工作压力、工作温度关系图表。这样阀门制造厂按阀门的压力等级来设计制造阀门,从而使阀门容易实现标准化,系列化设计。
为进一步简化阀门的设计,ASME B16.34给出阀门最小壁厚与阀门通径、压力等级的函数关系图表,阀门壳体的强度设计只需查表即可,无须进行繁琐的计算。这样,给阀门制造业带来了很大方便,对保障阀门的安全服役做出重要的贡献。
但是问题有它的两面性。这样一个不考虑阀门种类,阀体的结构型式,一个组别内材料的不同强度给出的最小壁厚,是一个“保守的上限值”。这一值对中小阀门影响不大,随着口径增大,压力等级提高,材料的消耗增加很大。例如一个Class900,NPS48的球阀,德国舒克公司按AD2000设计的重量为19吨,而按B16.34设计的重量为28.5吨,所以阀门制造业按ASME第Ⅷ卷锅炉压力容器建造规则设计势在必行。
API 6D-2008,第23版考虑到这一问题,在新版中做出重大的改变:“承压元件的设计和计算方法应按照国际上认可的设计规范或标准规定,同时考虑到管道的负载,操作力等”同时指出“国际上认可的设计规范或标准,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标准的阀门设计,买方和卖方可任选一个标准来进行设计。
英国BS EN12516-2在2004年就已经给出一个新的标准,《工业阀门-壳体设计强度第二篇钢制阀门壳体的计算方法》就是鉴于上述阀门发展背景提出的,阀体的壁厚用计算法代替查表法,采用开孔补强法则,以及阀体法兰的强度计算规则等。
阀门制造业由于长期习惯于采用B 16.34的查表法,对于锅炉压力容器的建造规则法缺少了解,面临按新标准设计的挑战。
当前首要的问题,针对阀门设计的需要进行按ASME Ⅷ锅炉压力容器建造规则设计的技术培训来提高中国阀门制造业的整体水平。这涉及高等材料力学、弹性力学的基础知识,例如薄膜应力理论,圆柱壳体的弯曲理论与边界效应,应力集中与开孔补强,压力容器的应力分类与限制条件,强度理论与强度设计,ASME Ⅷ-(2)中的按规则法设计,按分析设计,以及标准中有限元分析数据线性化处理等基本知识需要进行专业技术培训。

VUM记者:

最后请您谈一下,未来球阀的发展趋向以及中国阀门制造业发展方向。

邬佑靖先生:


中国球阀的发展已经有六十年的历史,可以说已是一个传统的产品,它应该继续发挥其全通径和90°行程回转的两大优点,向高参数方向发展,例如更高压力、更高温度或极低温度以及耐磨损、耐冲刷、耐腐蚀的方向发展,以及在特殊的工业领域中的应用。例如,随着油气工业的发展急需LNG球阀与海底球阀,这些阀门对阀门制造业来说存在着可观的利润空间。例如,中海油向美国CAMERON采购一台海底阀门约一亿人民币,是高技术的产品。
另一个发展方向,是阀门的集成化处理,满足某一特定流程的需要,如HIPPS系统,高压水泵出口的最小流量阀是止回阀与旁通调节阀的组合,控制阀集成系统,海底阀门撬装等。
但是,对中国阀门制造业来说,首先必须把自身企业改造成一个现代化的阀门制造业,现代化的阀门设计技术,现代化的制造技术——柔性加工系统和现代化的管理。要培养一支掌握现代阀门设计技术,又有实际经验的技术队伍,迎接阀门制造业的新发展。

 

球阀 中国 发展

06 14年

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