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高压超大口径管线球阀国产化进展

来源:dqvalve.com 编辑:Admin

高压超大口径管线球阀国产化进展

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(原上海耐莱斯·詹姆斯伯雷阀门有限公司)

邬佑清
 

摘要:介绍56英寸高压全焊接管线球阀国产化进展,问题与工程解决方案。

关键字:管线球阀,国产化


(一)

为降低西气东输四线、五线、六线的工程造价,降低天然气输送的运行成本,中石油在西气东输二线、三线48英寸管线建设成功的基础上,拟建设更大管径为56英寸的天然气输送管线,因此需要开发高压超大口径全焊接管线球阀,其压力等级为Class900,通径NPS56。

这一规格和压力等级的管线球阀已经超出API6D-23版-2008标准的范围。标准NPS56阀门的压力等级为Class600,对于Class900压力等级的NPS56阀门而言全世界只生产过2台,在俄罗斯一条几十公里长的管线上试运行。因此,这一产品的研制是一个超标准规格的具有国际先进水平的阀门产品。

基于这一背景,中石油西部管道分公司于2011年8月在安徽九华山召开国际高压大口径管线球阀技术研讨会。美国Cameron公司、德国Shuck公司、日本TIX公司、中国乐彩彩票官网、合肥通用机械研究院等单位参加了研讨会。会上确定作为油气管道设备第二批国产化项目之一的《高压大口径管线球阀》,其规格NPS56,压力等级Class900,安装方式为直埋地下,驱动方式为电动和气液联动,环境温度:-50℃至+60℃,连接方式:焊接端,袖管材料为X80,管径1422mm,壁厚30.8mm(或25.7mm,21.4mm),介质:净化后天然气,使用寿命为30年。

而后,西部管道分公司组织中石油天然气管道工程公司、合肥通用机械研究院、乐彩彩票官网等单位起草编制了“56英寸,Class900全焊接阀门技术条件”,“56英寸,Class900全焊接阀门压力试验大纲”作为国产化项目的依据。西部管道分公司决定在新疆建设一条试验管线,进行工艺性运行试验。2013年8月在北京,中石油西部管道与乐彩彩票官网等单位签订了“56英寸Class900全焊接管线球阀国产化研制开发协议”。协议规定:电动,地面安装一台;气液联动,埋地安装一台。国家能源局见证了这一国产化项目。


(二)

乐彩彩票官网完成第一批国产化项目10台48”Class900球阀后,承接了西三线48”Class900大型管线球阀36台,在已具备批生产能力的基础上,制定第二批56”的超大型管线球阀的国产化技术方案,不仅是简单地扩大产品规格尺寸,更重要的是兼具管线球阀产品轻量化任务。在结构上采用了球型壳体全焊接结构。这对降低产品造价,节省国家资源,提高产品竞争力具有十分重要的意义。例如一台NPS56,Class600的阀门,筒状结构的阀门净重量为33.7吨,球状结构为21吨,净重量降低1/3,毛坯可节省每台约20吨,每台节省工程造价约15万。轻量化任务首先在设计中要解决球型阀体强度的基础研究;在工艺上,解决壳体焊接结构研究与试验;在装备上,试制大型推力为4600吨级的液压试验设备,以及全自动焊接设备。

1. 球形壳体强度设计的基础研究

设计必须按照ASME BPVC Ⅷ-(1)或(2)分册进行产品的设计计算。包括:壁厚计算,大开孔补强,局部应力计算,内压与外载荷复合作用下应力强度计算,以及有限分析,并用弹塑失效准则评定阀体的应力强度。在理论计算的基础上,开展了阀体强度的实验应力研究与测定,其结果与分析计算有较好的一致性,验证分析计算的可靠。

2. 壳体焊接结构研究

国际上的球形壳体结构大都采用中间一条焊缝,加阀颈处一条或上下两条颈部焊缝。其工艺过程是:主阀体焊接 焊缝阀颈处车削 阀颈再焊接 阀颈再加工。这一方案是焊接工作量少,整机结构更为紧凑,缺点是交叉焊缝,存在二次焊接,使焊缝材料晶粒粗大,劣质化,残余应力不易控制等问题,机加工工序复杂,因未经热处理,可能产生变形而影响阀门的驱动。

我们制定的方案是:球型壳体双焊缝结构,是两条独立的、互不相交的焊缝,避免了焊后精加工的困难与防止焊接变形的发生。

3. 焊缝剖口型式研究

设计中为减轻整机重量,取焊接系数E=1,根据ASME Ⅷ-(2)焊缝的型式是无垫板的对接焊型式。传统的焊接,根部存在一条隙缝,存在应力集中,会使一次薄膜应力增加,其应力集中系数可达到K=2.2~3.2。这对球形壳体的强度十分不利。在工艺上要采用全自动氩弧焊的焊接设备,保证壳体三十年安全使用寿命。

4. 超大型液压试验设备的研制

NPS48英寸Class900的阀门,液压强度试验的推力为3700吨,需4600吨推力的液压试验设备。目前国内最大的为3200吨推力。因此,委托上海增欣机电科技股份有限公司共同试制一台推力为4600吨的液压设备,螺纹顶杆行程为2350mm,可试验阀门长度1549mm至3500mm,最大宽度3000mm。单机重量55吨。采用四拉杆框架结构,螺杆顶压,由电机经离合器,减速箱驱动,具有快进,慢进和快退动作功能,预紧力由电机的激磁电流通过磁粉联合器来控制,防止过压损坏。液压系统由低压大流量和高压小流量水泵组成,试验压力可设定,并配置电脑监控和记录打印系统,该设备是国内第一台最大吨位的液压试验设备。已试制成功投入运行。


(三)

“组合金属密封座的失稳与工程解决方案”是试制过程中产生的另一个新课题。由国外某公司提供组合密封座,在中腔进压密封试验时发生阀座在外压作用下失稳,最大残余变形达2.0mm,从而引起垮塌式大量泄漏。究其原因是,金属密封座是一薄壁结构,在密封压力为1.1倍工作压力时,薄壁筒体产生了失稳,产生不可逆的残余变形。经对该部件的有限元分析,表明在最大工作压力时,筒体应力达到并超过了材料的屈服极限250Mpa,产生2.2mm径向变形,与实际变形后测量值相符。为解决这一问题采取的工程措施是,材料由LF2改为LF6,提高金属材料强度,内径尺寸由1360mm缩小至1343mm。壁厚由原来的32mm增加至40.5mm。

改进后的金属组合座由供方重新提供,并由乐彩彩票官网在一台试验设备上进行75次压力试验,经考核未见泄漏,未产生残余变形,获得通过,已正式用于试制产品上。这一规格尺寸的阀门因为超过API 6D的范围,所以在标准中无该规格阀门的最小流道尺寸。内径1343mm的参数可填补API 6D标准的空白。

乐彩彩票官网已完成两台Class900,NPS56英寸管线球阀的组装,焊接。并在合肥通用机械研究院的监理和上海技术监督局的第三方参加下完成液压试验,高低压密封试验,功能试验,75次全压差动作试验,注脂试验和附加高压气体密封试验。待X80袖管试制成功、电动联动执行机构与气液执行器到厂后即可完成整机组装。这一高压超大型管线球阀国产化样机的试制成功,将标志中国管线球阀的水平和装备制造能力已达到国际先进水平。
 

 

 
焊接中的56”Class900的球形壳体球阀 阀体的实验应力研究 国内第一台高压超大型全焊接管线球阀

 

高压 超大口径 管线球阀 国产化 进展

06 15年

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