管線球閥作為緊急切斷閥，除了將流體切斷之外，還有很多其他的功能需求，這些功能性的需求經(jīng)過幾十年的發(fā)展和改進(jìn)，已具備較為統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)形式，這些結(jié)構(gòu)形式和功能性設(shè)計(jì)是：固定球浮動(dòng)閥座；組合密封功能的閥座；閥座單活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)——自排放功能；閥座雙活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)——雙重密封功能；雙截止-排放（DBB）功能；雙隔離-排放（DIB）功能；腔體壓力安全泄放；失火安全（fire-safe）；防靜電；閥桿與密封座緊急狀態(tài)下密封脂注射；驅(qū)動(dòng)軸的安全設(shè)計(jì)與閥桿延伸；閥門的限位。

1、固定球浮動(dòng)閥座結(jié)構(gòu)

　　所有管線球閥都是固定球浮動(dòng)閥座（圖1）的設(shè)計(jì)，球體繞球體的幾何中心做開關(guān)90°角回轉(zhuǎn)，保持回轉(zhuǎn)中心不變，兩個(gè)各自獨(dú)立的浮動(dòng)閥座，保證閥門在兩個(gè)流體方向壓差作用下的密封（bi-direction），浮動(dòng)閥座在彈簧加載下，即使在低的壓差情況下，仍使閥門獲得可靠的密封。

圖1 同定球浮動(dòng)閥座

2、組合密封功能的閥座

　　由于長(zhǎng)輸管線輸送的原油和天然氣不可能是潔凈的，管道需要定期清管，而又要求在30年的服役期內(nèi)確保密封的可靠性，這樣就設(shè)計(jì)一個(gè)組合密封座來滿足這一功能要求。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它是由金屬閥座、塑料密封環(huán)、背彈簧、閥座與閥體之間的橡膠密封環(huán)以及注脂噴嘴及其密封脂注入通道組成的，這一功能被描述為：金屬閥座與球面金屬對(duì)金屬的硬密封，防止固體顆粒落入次級(jí)軟密封；塑料或橡膠的軟密封，滿足30年服役期密封可靠性要求；緊急情況下，例如軟密封或球面出現(xiàn)劃痕，通過注脂噴嘴注入密封脂，滿足緊急狀態(tài)下臨時(shí)密封的需要。

圖2 組合密封閥座結(jié)構(gòu)

3、閥座單活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)——自排放功能

　　作為一種樣本設(shè)計(jì)，閥座設(shè)計(jì)具有自泄放功能，并稱之為“單活塞效應(yīng)”（single piston effect）設(shè)計(jì)。這是一種截止型的閥座設(shè)計(jì)。對(duì)于這種情況，當(dāng)進(jìn)口端管道壓力高于腔體壓力時(shí)，作用在閥座上的介質(zhì)作用力，其合力是將閥座推向球體，如圖3所示：A-C>B-C。腔體壓力高于出口端管道壓力，作用在閥座上的介質(zhì)力，其合力是將閥座推離球體，如圖3所示：D-E>D-F。這一種功能性設(shè)計(jì)最終截止了上游端介質(zhì)流動(dòng)，而腔體壓力大于出口端管線的壓力時(shí)，并能克服下游端閥座的彈簧力，可自動(dòng)泄放（self-relieving）至出口端管道，這一功能稱之為腔體壓力異常升高時(shí)的自泄放功能。

圖3 腔體壓力自泄放閥座

4、閥座雙活塞效應(yīng)設(shè)計(jì)——雙重密封功能

　　如果客戶需要，閥座可以被設(shè)計(jì)成雙活塞效應(yīng)（double piston effect），這種設(shè)計(jì)不管管線壓力高于腔體壓力，或者腔體壓力高于管道壓力，均使介質(zhì)對(duì)閥座產(chǎn)生的力使閥座推向球體，如圖4所示：A-C>B-C和D-E>D-F。即閥座不管兩端壓差如何，均能隔斷閥門兩端的介質(zhì)流動(dòng)，是一種隔離型閥座設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)閥門而言，具有雙重密封的效果，對(duì)于這一情況，當(dāng)腔體壓力升高時(shí)，閥體應(yīng)具有外部壓力泄放閥，防止其腔體超壓。

圖4 雙活塞效應(yīng)閥座

5、雙截止排放（DBB）功能和雙隔離排放（DIB）功能

　　雙截止排放與雙隔離排放的功能是指對(duì)于一個(gè)具有兩個(gè)密封座的閥門，無論閥門處于開啟狀態(tài)或者關(guān)閉狀態(tài)，腔體中充滿壓力，如底部的排污閥需要排放，進(jìn)口端和出口端的閥座應(yīng)該切斷進(jìn)口和出口的流體，以保證排放時(shí)的安全。如果設(shè)計(jì)的閥座是單向的，截止型閥座就是“雙截止-排放”功能，英文名稱為double brock and bleed，簡(jiǎn)稱DBB功能。如果設(shè)計(jì)的閥座是隔離型閥座，即流體被隔離型閥座離隔，既不能從上下游流入腔體，也不能從腔體流向上下游，對(duì)于這一隔離型閥座的設(shè)計(jì)，這一功能稱為“雙隔離排放”（double isolating and bleed），簡(jiǎn)稱DIB功能，如圖5所示，這一功能是保證操作工人打開底部排污閥排放時(shí)操作的安全。

圖5 DBB功能與DIB功能

6、腔體壓力安全泄放

　　對(duì)于一個(gè)有兩個(gè)密封座的閥門，腔體中可能有介質(zhì)積聚，如果這種介質(zhì)隨溫度升高而膨脹或相變，從而可能引起腔體壓力升高，那么對(duì)于上下游閥座設(shè)計(jì)成隔離型閥座的，就是腔體壓力不可能自身泄放至上下游管道的，應(yīng)設(shè)置一個(gè)安全閥來泄放腔體內(nèi)異常升高的壓力，以保證壓力邊界的完整。如圖6所示，安全泄放閥的泄放壓力不超過最高工作溫度其壓力額定值的1.33倍。

圖6 腔體壓力安全泄放

7、失火安全

　　fire-safe一詞的翻譯為“失火安全”，并非“防火”。其意義是要求閥門在遇到火災(zāi)時(shí)是安全的。安全是指其內(nèi)，外泄漏量不超過API 607所規(guī)定允許值，在結(jié)構(gòu)上為保證這一安全，在四個(gè)泄漏點(diǎn)上就有失火安全的設(shè)計(jì)。閥座的錐面與球面之間，一旦軟密封被燒毀應(yīng)使錐面和球面金屬對(duì)金屬接觸；閥座與閥體之間，除橡膠O形圈軟密封之外，應(yīng)有一個(gè)石墨密封圈；主副閥體之間，除橡膠O形圈之外，應(yīng)設(shè)置一個(gè)金屬纏繞式墊片或者石墨墊；軸的填料處，應(yīng)設(shè)置一個(gè)石墨密封環(huán)，這就是管線球閥的失火安全結(jié)構(gòu)。

8、防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　防靜電結(jié)構(gòu)是指具有兩個(gè)非金屬材料制造的密封座的球閥，球體轉(zhuǎn)動(dòng)可能產(chǎn)生靜電的集聚，應(yīng)及時(shí)與閥體導(dǎo)通。其方法是在軸的頭部有一小孔，內(nèi)置一個(gè)彈簧和鋼球，使其與球體相接觸，在軸桿的徑向部位也有一小孔，內(nèi)置一個(gè)彈簧和鋼球，使其與填料函內(nèi)壁相接觸，這樣球體上可能產(chǎn)生的靜電導(dǎo)入閥體，而閥是接地的，如圖7所示。

圖7 防靜電結(jié)構(gòu)

9、閥桿的密封

　　閥體與球是分離的，球軸上作用著介質(zhì)的推力，在軸肩處置一個(gè)平面軸承，由于介質(zhì)作用在球上的力已被分離，作用在支承板上，軸只承受單一的轉(zhuǎn)矩，軸上無側(cè)向力的作用，提高軸頸處密封的可靠性，采用二級(jí)O形圈和石墨環(huán)密封結(jié)構(gòu)（圖8）。

圖8 軸的密封

10、緊急情況下閥桿與閥座密封脂的注入

　　當(dāng)發(fā)現(xiàn)閥桿填料泄漏時(shí)，在填料箱側(cè)面設(shè)置一個(gè)密封脂的注入接頭，供密封脂注入來消除閥桿處的泄漏，結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 緊急情況下閥桿與閥座密封脂的注入

11、傳動(dòng)鏈的安全與開關(guān)位置限位

　　按照API 6D規(guī)定，傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)按設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩或者實(shí)際測(cè)定同規(guī)格閥門轉(zhuǎn)矩的2倍。而且傳動(dòng)鏈最取薄弱的截面應(yīng)在閥門的壓力邊界外面，閥門的開與關(guān)的位置應(yīng)精確地限定。對(duì)于直埋地下的閥門，閥桿應(yīng)被接長(zhǎng)。圖10所示是Velan公司的傳動(dòng)鏈——加長(zhǎng)閥桿的設(shè)計(jì)，閥門的開關(guān)位置通過閥桿的鍵在外部連接板90°弧形凹槽中限定（圖11）。

圖10 閥桿延伸

圖11 閥桿限位

12、直埋地下

　　對(duì)于直埋地下的閥門（圖12）除了閥桿被伸長(zhǎng)到地表之外，所有的接管：注脂管、排污管、腔體壓力泄放并引至地表，注脂閥、排污閥、壓力泄放閥亦置于地表，并在閥前增加一只隔離閥。

圖12 直埋地下的閥門

13、硫化工況設(shè)計(jì)

　　對(duì)于硫化工況，可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，特別是對(duì)于濕的硫化氫，這種材料的選用與制造滿足NACE MR0175標(biāo)準(zhǔn)的要求，工藝與介質(zhì)接觸的零件，做材料硬度試驗(yàn)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如果需要，供方應(yīng)提供硫化物應(yīng)力腐蝕SSC和氫致開裂HIC腐蝕試驗(yàn)報(bào)告。