全焊接球阀非标准试验的分析
张继伟，黄 磊，周 波
阀 门
摘要 根据对国内外多个标准的研究和应用经验，论述了油气管线用高压大口径全焊接球阀的非标准试验项目和评定标准，以及焊缝免焊后热处理的安全评估。
关键词 全焊接球阀; 非标准试验; 安全评估
1 概述
全焊接球阀阀体采用一道或多道焊缝焊接成形。全焊接球阀常用于石油、成品油和天然气等长输管线，该阀具有强度高、刚性好、无外漏、质量轻和免维护等优点。随着国内油气长输管线的高速建设，全焊接球阀得到了广泛应用。由于全焊接球阀的国家标准尚在制订中，国内制造的首台( 套) 高压大口径全焊接球阀按照 API 6D － 2008《管线阀门》［1］要求试验鉴定存在较多的争议。本文主要根据国内外标准和用户使用中关心的问题进行分析，给出了高压大口径全焊接球阀在标准之外的试验鉴定程序和方法。
2 标准规定的试验
API 6D － 2008 规定了用于石油天然气输送系统的阀门出厂压力试验。第 11 节中规定了液压壳体试验、液压密封试验及泄放、放空和密封剂注入管线的试验等，删除了不适合球阀的阀杆上密封试验条款。附录 B 中规定了补充试验的要求，如液压试验、低压气体密封试验、高压气体试验、防静电试验、扭矩试验、传动链强度试验、阀体中腔泄放试验、氢脆试验( 适用于硫化工况) 、双截断和排放试验、双阀座双向的双隔离和排放试验及单座单向和单座双向双隔离和排放阀试验，这些试验项目是基本的和完全必要的。
3 非标准规定的试验
除了 API 6D 标准中第11 条和附录 B 规定的标准试验之外，还有一些试验并没有在标准中详细说明试验方法和评定要求，如寿命试验和涂层试验等，而且标准并未针对全焊接球阀的特殊结构进行相关规定。如国内首次设计制造的 NPS 48 － Class 600( DN1 200 － PN100) 以上规格的全焊接球阀，除按照标准规定进行验证外，还应结合实际问题进行非标准试验或者仿真计算。
3. 1 试验项目
对于高压大口径全焊接球阀，还应根据实际情况进行非标准规定的检查和试验。如外观检查、材质化学成分和力学性能、阀门耐火试验、焊接评定试验、无损检测、注脂试验、寿命试验、电源( 气源) 波动下阀门动作试验、防腐涂层试验、抗外力试验( 弯曲、拉伸和压缩) 和地震试验等，制造商应提供完成试验并合格的文件或证明。
3. 2 试验方法和评定要求
( 1) 外观检查
主要是目测锻件质量和焊缝质量。焊接接头不得有表面裂纹、未焊透、未熔合、表面气孔、弧坑、未填满和目测可见的夹渣等缺陷。焊缝与母材应当圆滑过渡，角焊缝的外形应当凹形圆滑过渡。咬边和其他表面质量应当符合设计图样的规定〔2〕。
( 2) 材质化学成分和力学性能
按照材质采用的材料标准或制造商内订的标准进行检验。在阀体和球体的本体材料上钻屑取样，取样应当在距表面 6. 5mm 以下处，按 GB/T 223 的规定或采用光谱进行化学成分分析。用阀体同炉号、同批热处理的试棒或试块，拉伸试验按 GB/T228 规定的方法进行，冲击试验按 GB / T 229 规定的方法进行，硬度试验按 GB/T 231. 1 规定的方法进行。需要注意的是球阀内部的非金属元件，如主密封圈和预紧弹簧等。尤其是主密封圈，它是密封的关键，在油气长输管线中，要求密封圈具有抗腐蚀性能，橡胶类材料应提供保证不产生释压破裂的措施，进行密封圈抗爆试验并合格。
( 3) 阀门耐火试验
球阀未要求每台都进行耐火试验。对于 NPS48 － Class 900( DN1 200 － PN150) 全焊接球阀，只需一台 NPS 16 － Class 600( DN400 － PN100) 的全焊接球阀，按照 API 6FA 试验并通过即可。
( 4) 焊接评定试验
在球阀焊接之前进行，可以按照 JB/T 4708 或ASME Ⅷ的要求进行焊接工艺评定。包括阀体主焊缝、袖管与阀体的焊缝、填料箱与阀体的焊缝等。
( 5) 无损检测
按照 JB/T 4730 或 ASME Ⅷ要求进行，阀体主焊缝应采用多通道超声波探伤和磁粉探伤，角焊缝采用磁粉探伤，袖管与阀体焊缝采用射线探伤，焊接端部位采用渗透探伤，检测探伤比例均为 100%。按 JB/T 4730 的要求 II 级合格，或按订货协议，并提交相应的检测报告，以验证焊缝质量合格。
( 6) 注脂试验
考核阀门的某些特殊设计能否保证紧急状态下注脂密封的可靠性，包括阀杆和阀座的注脂。阀杆注脂在阀杆装配后、阀门焊接装配之前进行，通过阀杆注脂阀注入要求的密封脂，然后拆出阀杆，检查注脂效果。阀座注脂在壳体材料 38℃ 时最大允许工作压力值下，通过阀座注脂阀注入，泄压后半开阀门，检查注脂效果。或经协商，不带压操作该程序。
( 7) 寿命试验
考核球阀在多次启闭后的整体性能。管线阀门虽然要求寿命 30 年，但由于油气管线全焊接球阀在投用后长期处于全开状态，启闭频率很低，因此对于管线上用的球阀来说短时间内的连续开关试验没有太大意义。用户更看重球阀在长期不操作的情况下，紧急状态下能按要求动作的能力和密封的性能，而这时球阀的启闭扭矩将会达到球阀出厂时测得的最大扭矩的 2 ～3 倍，这是球阀在设计时应重点考虑的，所以在 API 6D 中也没有对寿命次数进行特别要求。站场工艺用球阀可能会对寿命有所要求，可按照 JB/T 8861 －2004 的规定，进行静压下的全压差寿命试验，寿命的次数根据买卖双方协商。
( 8) 电源( 气源) 波动下阀门动作试验
考核执行机构的选配是否合适。要求在电源电压和气源压力有 ± 10% 的波动情况下，阀门均能顺利动作。
( 9) 防腐涂层试验
油气长输管线地域跨度大，气候环境条件多变，为保证在不同的环境中球阀表面不受损伤或腐蚀，应有不同的涂层工艺。一般来说，埋地安装的球阀阀体喷涂外防腐层前应进行抛丸处理等，确保防腐涂层的附着力。防腐层由里到外为无溶剂液态环氧+ 玻璃布 + 无溶剂液态环氧 + 玻璃布 + 无溶剂液态环氧〔3〕结构，其总厚度不小于 1. 5mm。地上阀门防腐层采用无溶剂液态环氧 + 氟碳面漆结构。涂层工艺应经过试样的验证，包括厚度、附着力、均匀性和抗冲击力等参数。
( 10) 抗外力试验
考核全焊接球阀在管线系统中抵抗管线弯曲、拉伸和压缩变形的能力，以及在这些载荷叠加条件下的强度、刚度和密封性能。由于这些试验系统建设成本过大，加上计算机仿真技术的日渐成熟，更多的制造商选择采用模拟计算的方式验证球阀的性能。
( 11) 地震试验
考核球阀在地震环境中的强度和密封性能。在地震模拟实验台架上，进行不同加速度和频率的试验。考核地震过程中和地震后球阀的性能。目前国外部分制造商进行了典型样机的地震试验，并未全安装吊具。准备校验用氮气瓶、1 套 DN100 和 3 套DN150 安全阀专用校验工装。固定安全阀，以便拆除防爆膜夹持器。然后根据现场的实际情况，关闭安全阀的前后阀，拆除防爆膜及夹持器。校验工装的安装接口方向需操作方便( 图 4) 。最后，开启安全阀排放口的阀门，关闭放空阀，开启压力表阀与进口阀，实施安全阀在线校验操作( 图 5) 。
6 分析
在线校验的安全阀约 70 台，型号为 HTB －01CSB，规格有 DN100 与 DN150，其结构为弹簧式。DN100 安全阀质量约 100kg，DN150 安全阀质量约150kg。与离线校验相比，在线校验工装制作简单，成本低，不影响生产流程。
7 结语
在线校验方式适合的工艺系统为安全阀有前置防爆膜夹持器，同时防爆膜前有能关闭的阀门，且安装的防爆膜夹持器能够拆除。如介质有毒有害和易燃易爆，安全阀排放管应有截断阀，以保证安全阀校验不合格后能与排放管断开，确保尾气不倒流，能安全拆除安全阀进行维修，以适应新工艺连续生产的需要。
参考文献略
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