API 6D与API 608对球阀要求的分析

张绍华 刘建峰 叶志烜 宋忠荣

合肥通用机械研究院

摘要：

结合工程实践经验, 明晰API 6D管道球阀与API 608球阀在结构设计、性能要求、试验方法等方面的区别与联系, 使API球阀相关方能够理解和适应相应产品标准的规定和要求。

关键词：

API 608; API 6D; 球阀; 长输管道; 工艺管道; 要求分析;

0 引言

关于球阀产品，美国石油协会有API 6D《管道及管线阀门规范》和API 608《法兰、螺纹和焊连接的金属球阀》2个标准规范，这2个标准对球阀产品都作出了详细的规定和要求。本文对API 6D与API 608中关于球阀的规定和要求进行初步解读，并结合工程实践，明晰API 6D球阀与API 608在结构设计、性能要求、试验方法等方面的区别与联系，使API球阀业主、制造厂、监理方等相关方能够理解和适应相应产品标准的规定和要求。

1 API 6D与API 608的关系

API 6D球阀使用在石油和天然气工业管道系统，包括长输油气管线及各级汇集管线，相当于站区外运输，包括ASME B31.4和B31.8管道，口径范围NPS (4～60），以大口径居多，95%以上均为10英寸以上，压力等级有150, 300, 400, 600, 900, 1500, 2500磅，一般为固定球结构，进口端密封。API 608球阀使用在石油、石油化工及工业应用上, 主要用于ASME B31.3工艺管道，口径范围NPS (1/4～24），大都口径较小，压力等级有150, 300, 600, 800磅，一般为浮动球结构，出口端密封。

API 608是在ASME B16.34《法兰、螺纹和焊连接的阀门》规定的要求外附加设计、操作和性能的要求，面向一般工业用户。由于长输管道工程的特殊性，美国石油学会制定了API 6D《管道及管线阀门规范》标准，明示了API 6D的球阀与API608的球阀在结构与功能等方面的区别。

API 6D与API 608球阀根据所使用的工况和需求不同，各有其特点，共同构成了石油化工领域完整的球阀规范。结合工程实践，对2个球阀标准, 进行初步解读和分析。

2 球阀要求分析

2.1 结构与功能要求

球阀按球体结构分为浮动球球阀和固定球球阀。浮动球球阀典型结构如图1所示。其球体无支撑轴，球体由阀门进、出口两端的阀座予以支撑。阀杆与球体为活动连接。阀门关闭时，球体在介质压力的作用下，被推向阀门出口端阀座，使之压紧并密封。这种球阀为出口端（阀后）密封，具有结构简单、制造方便、成本低廉、工作可靠等特点，在工艺管道上得到了广泛应用。

固定球球阀支撑板结构如图2所示。其球体由固定到阀体上的支撑板所支撑，阀座是活塞效应阀座。在介质压力的作用下，阀座向球体靠近，使阀座密封圈紧压在球体上，产生密封比压，以达到密封介质。阀前介质压力在球体上所产生的作用力全部传递给轴承，不会使球体向阀后阀座移动，因而阀座不会承受过大的压力。这种球阀为进口端（阀前）密封，具有开启转矩小，密封性能稳定等特点，适用于长输管线高压、大口径的场合。

API 608球阀用于石化行业工艺管道，功能为接通或截断介质，操作工况经常是高温高压、有毒有害、易燃易爆、腐蚀性及连续作业，对阀门的密封、材料、防腐等方面提出了高的要求。API 608球阀有固定球结构和浮动球结构，一般采用浮动球结构。

图1 浮动球球阀

API 6D球阀用于长输管线，因长输管线的特殊性，球阀除了接通或截断介质功能外，还须具有排污、放空、超压泄放、注脂和在线检漏等功能。API 6D球阀都采用固定球结构。

图2 固定球球阀

API 6D管线球阀的排污、放空功能： (1) 阀门出厂试验时，验证阀座的密封性； (2) 管线投产前，排空阀腔内污物； (3) 投运时，在线检査阀座的密封性； (4) 抢修时，代替管线上的排污与放空。

为了保证抢修施工的安全，减少对环境的影响，降低放空代价，管线球阀的排污放空尤为重要，必须严格按API 6D规范要求设计排污放空，满足规范中对排污口、放空口的尺寸规定。具有排污、放空功能的球阀阀座，每个阀座均能承受外侧的全压差（DBB功能），隔绝上、下游介质，实现安全排污、放空。

API 6D管线球阀除了排污、放空功能外，还应具备中腔超压泄放功能，可利用DIB-2功能的阀座将超压释放到阀座外侧或者阀体另接安全泄压装置。为提高球阀的密封性能，也可使单个阀座分别承受住每一侧的全压差（DIB-1）。当上游阀座密封失效时，下游阀座仍能可靠密封。

实现排污、放空、超压泄放功能，提高密封可靠性，API 6D管线球阀设计成活塞效应的阀座。阀座活塞效应原理如图3所示。面积差（A₂-A₁=△A）产生的作用力推动阀座向球体运动，形成密封。

图3 阀座活塞效应

活塞效应分单活塞效应和双活塞效应。单活塞效应的阀座只能对单个方向的介质起密封作用。双活塞效应阀座对正向流体和反向流体均能起密封作用。通过单活塞效应阀座和双活塞效应阀座的不同组合，实现DBB, DIB-1和DIB-2功能，见图4。

API 6D管线球阀除了充分考虑阀座结构外，还应考虑其他结构设计或材料选择以保证阀门的密封性能，如采用储物空间大的阀体结构、增加阀体内腔直径等措施，避免管道内沙石等硬物长时间停留在阀座与球体间的腔体，有效防止对阀座和球体的损伤。此外，采用橡胶材料的活塞效应阀座密封圈，对管道内硬物的适应性较好，避免密封圈永久损伤而使密封失效。

2.2 检验与试验要求

API 608规定球阀的检查、检验和压力试验按照API 598《阀门的检查和试验》进行。作为ASME B16.34《法兰、螺纹和焊连接的阀门》的补充规范，API 608球阀也应完全满足ASME B16.34的检验与试验要求。ASME B16.34和API 598是针对通用阀门提出的规范，属于必须满足的最低要求。

图4 活塞效应阀座的组合

API 6D规范针对管线阀门的具体情况，对检验和试验进行了详细的规定，较ASME B16.34和API 598要求更严，如压力持续时间更长、试压项目更多、操作程序更复杂。进行密封试验时，API 608球阀通常采用一端加压、观察另一端阀座的方式检测密封，而API 6D球阀则通过一端加压、从中腔进行密封检测。

在最新的2014版本中增加了质量规范等级QSL的要求。QSL等级包括了对无损检测（NDE）、压力试验及制造程序文件的详细要求。按照质量规范等级QSL的不同，API 6D球阀需进行的检验与试验项目及范围也有所不同，QSL等级要求的严格程度随QSL等级数递增。QSL-1级是API 6D规定的最低质量规范等级，当买方认为有必要时，可规定球阀应符合QSL-（2～4）质量规范等级。当买方规定任一QSL等级时，应提供全部QSL等级的详细要求。新版API 6D中QSL质量规范等级的提出，意味着管线球阀的质量要求进一步提高，并作了统一的规范。针对API 6D-2014新增的质量规范等级的要求，买卖双方应仔细研究各质量规范等级之间的区别和联系，以便更好地为管道工程提供合适的球阀产品。

2.3 安全性和可靠性的要求

API 608球阀用于工艺管道，开关操作频繁，寿命短，加上口径不大，更换较容易。而API 6D球阀用于长输油气管线，口径大，输送介质压力高、易燃、易爆，加之长输管线一般流经地理环境复杂，气候恶劣，环境温度变化范围大的区域，且管线投资巨大，投入运行后，要求长期连续运行。管线正常运行时，球阀是开启的，但一旦出现故障需要关闭时，阀门必须快速可靠关闭。另外API 6D球阀因口径大、埋地安装、与管道焊接连接等因素，更换比较困难，而且一旦抢修，费用高昂。因此，长输管线API 6D球阀比API 608球阀要求有更高的安全可靠性、密封性和强度，以确保长输管线长期安全可靠运行。

目前在长输管线阀门的招标和采购过程中，业主针对管线阀门如何适应长输管线工况，如何保证长寿命等提出的技术要求不够明晰，没有提出具体要求，如只提30年寿命，给供应商留下了空间，只有一纸承诺，其他与普通阀门无差别。在今后关于安全性和可靠性方面，业主应对供应商提出严格具体的技术要求，并要求给出切实可行的控制措施。

2.4 安装维护要求

API 608球阀属于工艺管道球阀，一般在厂内就可完成安装，施工地点平整，贮存转运方便，安装时间集中，施工环境较好，且一般管道及配件的架设及安装都具有支承结构，阀门的受力条件较好。

API 6D管线球阀因为安装在长输管线上，大多在野外露天，部分在阀室。长输管道工程少则几十公里，多则上千公里，管线跨度长，施工地分布广，管道埋地，翻山越岭，穿江过河，施工环境特别恶劣，管道内残留沙石、泥土不可避免，管道的建设至投产周期较长，管道附加应力、外部载荷等影响因素不可忽略，再加上施工人员的素质参差不齐，这些对阀门性能的影响难以避免，最终质量不好控制。

API 6D管线球阀安装时，有时存在施工人员责任心不强、施工现场保护不到位、不按照程序进行安装调试等情况，管道内的沙石、泥土、施工垃圾等没有清理或者没有清理干净，沙石、泥土等进入阀腔，焊接飞溅物粘接在球面或阀座，造成密封副损坏，阀体与阀座接触的内腔表面锈蚀，泥土结垢，阀座卡死，直接影响阀门的密封性能。因此现场阀门安装时必须严格按照施工工艺进行。

管线球阀投运后，长期处于开启状态，但又必须具备高可靠性，因此需要加强管线球阀的日常维护工作。对于球阀阀座的养护，要适当的注入润滑油，其注入量结合球阀的使用状况和使用频率，这样既可以保障其密封性，又可以防止杂质的进入，同时避免球体和阀座胶合，防止球体活动时干磨，保护阀座和球体，对于管线球阀的正常运行有明显的作用。

2.5 事故状态的处理措施

API608球阀发生故障造成的影响通常局限在本厂及周边附近，一般事故情况可自行处置，社会影响可控。而API6D长输管线球阀一旦发生故障，对整条长输管线的运行造成巨大的影响，难以自行处置，不仅造成大量的能源损失、引起巨大的火灾，而且很大程度上会耽误一些重要项目的顺利开展实施，这些对国家和企业造成的损失是不可估量的，造成的社会影响较大。在事故处理时，需要公安部门、消防部门、安监部门、交通部门、医疗部门、环保部门、管道抢修部门、搜救支援部门及时到场，互相协调。

3 结语

针对API 608与API 6D规范对球阀的要求、结合工程实际进行了解读和分析。长输管道工程具有管线长、口径大、施工环境恶劣等特殊性，API 6D标准规范明示了API 6D的球阀与API 608的球阀在功能与结构等方面的区别。

我国长输管道工程的建设投运时间不长，管线阀门的开发起步较晚。一些生产API 608球阀的制造商在生产管线阀门时，对管线球阀的相关规范要求了解不够深入，对长输管道工程的特殊性认识不够，未能充分理解业主对管线球阀提出的技术要求，特别是对密封结构和排污、放空、注脂等功能提出的要求，仍按为一般工业用户技术要求的设计理念来设计制造管线阀门，造成了管线阀门在运行中存在许多难以解决的质量问题，最终不得不更换阀门，造成较大损失。

管线球阀的设计者只有认真研究API 6D标准规范的相关要求，充分关注长输管道工程的特殊性，摆脱API 608规范的束缚，才能设计出符合规范要求，满足长输管道工程需要的管线球阀。