摘要:目前，我国涌现出了一批高含硫气田，抗硫球阀是化工炼油、油气开采等流程系统的理想阀门。结合普光油气田小口径高压抗硫硬密封球阀的设计开发实例，研究了天然气用高抗硫硬密封球阀的主要结构设计特点，对我国抗硫球阀，特别是小口径高压抗硫硬密封固定球阀在气田中的应用有一定的借鉴意义。
关键词:天然气;高压、抗硫;硬密封固定球阀
0引言
天然气是一种便捷、高效及清洁的能源，加大天然气利用规模，与可再生能源形成良性互补，提高清洁能源比重，是我国推进主体能源更替及加快建设清洁低碳、安全高效现代能源体系的必由之路。阀门作为天然气运输管道上的重要启闭部件，是其必不可少的通用设备之一，其设计开发，特别是高含硫天然气用阀门的设计开发，具有十分重要的意义。通过陕西航天泵阀科技集团有限公司普光气田(含硫量高)设计开发实例，对天然气用小口径抗硫硬密封球阀设计开发进行了研究。
1基本要求
该阀门主要由阀体、球体、阀座、阀杆(上轴)、固定轴(下轴)、滑动轴承、防爆O型圈、密封垫、弹簧(碟簧)、填料压盖、填料及手柄(或执行器)等组成，其内件材料必须采用耐酸性材质，密封副材料配对为金属对金属，在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。兼具普通硬密封球阀的所有设计结构特点外，在设计选材及试验时，改阀应能够满足在硫化环境下的抗硫应力裂化要求，适应较宽的温度及压力范围，密封性能稳定，具有良好的防火、防静电性能，并能够满足其低泄漏的要求。
2主要特点
2.1抗硫性。抗硫性是抗硫阀门与非抗硫阀门的主要区别，因此在材料的选择上要保证能适应含硫介质的工况，特别是高含硫介质材料的选择要更加严格，须严格控制材料的化学成分及理化性能，必要时材料必须经过一系列的抗H2S试验方可使用。
2.2硬度高。由于座密封面与球体密封面为堆焊或重融喷焊硬质合金，其硬度一般情况下为HRC40左右，一些特殊的硬质合金材料(例如Ni60)硬度最高可达HRC60，极大地增加了密封面的耐磨损性。
2.3启闭易操作性。设计有上下轴，手柄带动阀杆(上轴)转动，球体在上下轴的支撑下，由阀杆(上轴)的扭转力带动绕着垂直流道的轴旋转，来实现阀门的启闭，而不能沿流道轴线移动，因此工作时，无论是阀前还是阀后，介质压力都通过球体传递给上下轴，阀座只承受较小的介质力，因此，具有开关轻，启闭易操作性强的特点，同时从全开到全关只要旋转90°，便于远距离的控制。
2.4广泛适用性密封副(即阀座密封面与球体密封面)材料配对为金属对金属，使得阀门具有较宽泛的耐温性、耐压性;同时，其使用介质更为广泛，可以适用于含有固体颗粒介质。如果阀门介质温度不高于200℃，可采用O型圈密封，如果介质温度超过200℃，则阀门必须采用抗硫石墨密封。
3设计难点
3.1零部件材料选择要求。抗硫阀门在材料的选择上的要求非常严格，特别是含硫量高的介质，对阀门密封性要求更苛刻，抗H2S材料选用上更应该按照相关要求进行，要求材料本身的抗硫化能力较高，能满足介质的使用要求。按照美国腐蚀工程师协会标准NACEMR0175或NACEMR0103的要求进行选择材料，同时硬度符合NACEMR0175/IS015156要求(≤22HRC或235HV10)，以满足H2S环境下的工况，不能选用铜和铜合金材料。锻件应NB/T47008中Ⅲ级锻件要求，建议至少进行阀体和阀盖材料的HIC和SSC试验报告，且要求评定合格。
3.2结构紧凑性要求。小口径(DN＜50)的阀门，常采用浮动球结构，阀后密封。采用固定球结构，由于其标准结构长度的限制，特别是在设计压力高的情况下，用户又要求必须是法兰连接，很难实现或者不能够实现。因此，要保证阀门的结构紧凑性设计难度极大。
3.3低泄漏要求。由于含硫介质的特殊性，不仅要求阀门不能内漏，而且也不能出现外漏。相对来说，外漏比内漏更加可怕，如果阀门出现外漏，很容易出现意外事故。因此，在此类阀门设计时，要充分考虑到阀门的每一个泄漏点，特别是左右阀体间与阀杆(上轴)处，对于泄漏等级要求高的阀门普通的填料密封很难实现零泄漏。
3.4密封性能要求。该阀要求其密封性能较高，一是硬度必须达到要求，球体需要经过相应的热处理，提高机体强度，经粗加工、精加工和精磨后，球体具有很高的圆度和精度，并采用了表面化学镀镍(根据球体材质可采用不同的表面处理)，一些特殊的工况下球体表面采用了氮化、喷涂镍基合金、碳化钨或钴铬钨处理，以抵抗磨损和硬物的刮擦。二是配合精度必须达到要求，密封副一般情况下在装配时需要采用人工研磨，直到球体与密封圈完全吻合才能使用。
4结构设计特点
针对小口径抗硫硬密封固定球阀的主要特点及主要设计难点，结合公司为普光油气田设计开发的球阀设计实例，对小口径抗硫硬密封固定球阀的结构设计特点进行系统性的研究，主要结构设计特点如下。
4.1防火结构设计。所有规格的阀门按照API607和API6FA的要求采用防火设计，并能通过防火检验。
4.2可动载的低泄漏填料密封结构设计。阀杆密封，采用多重密封结构，首先可在阀杆下端设计2道O型圈密封(不适用200℃以上)，然后再采用1套低泄漏填料(组件)密封，同时低泄漏填料处，采用可动载式结构以弥补填料因长时间失效而发生的微弱变形，以保证密封，该结构即在填料压板处设计装有1套蝶形垫片(碟簧)，并在下端安装1个平垫片以保证填料上端平面均匀受力，该结构具有自动调节功能，可保证填料压板对填料的持久动态密封，其中低泄漏填料组件的选择也是保证密封的关键(见图1)。
4.3阀杆防飞出结构设计。阀杆采用防飞设计(带有防飞轴肩)，可防止因操作不当而造成其从壳体内弹出，保证阀门使用安全性(见图2)。
4.4阀座的碟簧预紧结构设计。为了保证阀门结构的紧凑性，使得阀门的设计制造均符合标准规范的要求，采用碟簧预紧的方式，既保证阀座与球体间可以抱紧有足够的预紧力以保证阀门的密封性，还可以进一步优化阀门结构，保证阀门的紧凑性。因为，相对于弹簧预紧来说，碟簧预紧需要的空间要小的多，其材质可选用InconelX－750，既满足抗硫性与抗腐蚀性要求，又具有足够的刚度。阀门设计时可按照厂内标准(业主认可后)确定结构长度，以解决结构长度受限无法设计的难点，也可增强阀门使用的安全性。
4.5防静电结构设计。阀门设计有防静电结构，该结构是1个螺旋形弹簧推动1个钢球，保证阀杆和其金属零件(阀体和球体)始终处于接地状态，避免操作阀门时产生静电火花，保证了输送易燃流体和气体的安全。该结构完全可以达到在12VDC下测定，电阻值不超过10Ω的要求(见图3)。
4.6防止误操作结构设计。为防止非工作人员错误操作，以及在振动较大的场合手柄受到撞击产生误动作，在阀门的全开或全关的位置设锁定孔，用以需要时加锁，起到安全保险作用。
5结语
结合普光油气田抗硫硬密封固定球阀的设计开发实例，重点研究分析了小口径抗硫硬密封固定球阀的结构设计特点，为阀门行业抗硫固定球阀、特别是小口径抗硫固定球阀的结构设计与开发有一定的理论指导意义，从而有助于我国阀门行业的发展。
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作者:陈龙龙 林忠灿 温智慧 单位:陕西航天泵阀科技集团有限公司
