工业石油天然气阀门标准

工业石油天然气阀门标准

国际通用阀门标准种类繁多，其中适用于石油天然气工业的阀门标准以ASME标准和API标准为主。探讨了ASME B16.34、ASME B16.5、ASME B16.10和API 6D这4种常用的阀门标准在确定阀门内径尺寸、阀门壁厚和压力等级、阀门法兰的尺寸和密封面形式、阀门结构长度、阀门材料及阀座形式等方面的具体应用，以及各标准在确定阀门尺寸、压力温度等级等要素上的异同，可为阀门设计和选用过程中各标准的准确应用提供参考。本标准规定了石油和天然气工业用公称尺寸不大于DN100钢制闸阀、（包括节流阀）和（以下简称“阀门”）的结构形式、技术要求、材料、试验方法和检验规则、标志、包装和储运等要求。

    本标准适用于公称压力PN20、PN50、PN100、PN250，公称尺寸DN8～DNl00的法兰端阀门。
    本标准适用于公称压力PN140、PN250，公称尺寸为DN8～DN65的承插焊或螺纹端的阀门。
    本标准适用于公称压力PN20—PN250、公称尺寸为DN8～DN100的对接焊端的阀门。
    本标准适用于波纹管阀杆密封结构的闸阀和截止阀。
    注：公称压力PN20相当于Class150，公称压力PN50相当予Class300，公称压力PN100相当于Class600，公称压力
    PN140相当于Class800，公称压力PN250相当于Class1500。
阀门是*常见的工业标准管件，用途主要有开闭管路、控制流向、调节和控制输送介质的参数(温度、压力和流量)等，其设计、选材、试验和检验均必须遵守相应的标准规范。阀门标准规范的数量和种类，一直随着生产需要的变化和技术的发展在增加和改进。国际上通用的阀门标准，按其制定者划分为英国标准(BS)、日本标准(JIS)、德国标准(DN)、国际标准组织标准(ISO)、美国机械工程师协会标准(ASME)和美国石油学会标准(API)。在石油天然气工业的阀门设计、制造、安装、检验、使用、维护和检修等环节中，需要重点了解和熟悉ASME标准和API标准。

1 工业石油天然气阀门标准阀门标准机构及常用标准介绍
1.1 美国机械工程师协会
美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers)于1880年成立，在世界范围内拥有很高的和广泛的行业影响力。ASME主要致力于机械工程及相关领域的科学研究，制定了一系列的机械标准和规范。ASME同时是大的技术文献出版机构之一，其出版和发行的约600项技术法规与标准被世界100多个国家和地区广泛采用。
ASME标准中关于阀门的标准适用于包括石油天然气行业在内的多个领域，个ASME阀门标准分别涉及：
①法兰、螺纹及焊接连接阀门(ASME B16.34—2017)。
②管法兰和法兰管件-NPS1/2-NPS24(ASME B16.5—2017)。
③阀门的面到面和端到端长度(ASME B16.10—2017)。

工业石油天然气阀门标准规范性引用文件
    下列文件对于本文件的应用是的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

    GB 150钢制压力容器
    GB/T 196  普通螺纹  基本尺寸(GB/T 196-2003，IS0 724:1993，MOD)
    GB/T 197  普通螺纹  公差(GB/T 197-2003，IS() 965-1:1998，MOD)
    GB/T 228.1  金属材料  拉伸试验  第1部分：室温试验方法(GB/T 228.1-2010，IS0 6892-1：2009 9MOD)
    GB/T 898  双头螺柱6。=1. 25d
    GB/T 1220  不锈钢棒
    GB/T 1221  耐热钢棒
    GB/T 3077  合金结构钢
    GB/T 5796.1  梯形螺纹  第1部分：牙型(GB/T 5796.1-2005，IS0 2901：1993，MOD)
    GB/T 5796.2梯形螺纹  第2部分：直径与螺距系列(GB/T 5796. 2-2005，IS0 2902：1977，
MOD)
    GB/T 5796.3  梯形螺纹第3部分：基本尺寸(GB/T 5796. 3-2005，IS0 2904:1977，MOD)
    GB/T 5796.4梯形螺纹第4部分：公差(GB/T 5796. 4-2005，IS0 2903:1993，MOD)
    GB/T 7306.2  55。密封管螺纹  第2部分圆锥内螺纹与圆锥外螺纹(GB/T  7306. 2-2000，
egv  IS0 7-1:1994)
GB/T 9113 整体钢制法兰
GB/T 12220通用阀门  标志(GB/T 12220-1989，idt IS0 5209:1977)
GB/T 12221金属阀门  结构长度(GB/T 12221-2005，IS0 5752:1982，MOD)
GB/T 12224钢制阀门  一般要求
GB/T 12228通用阀门碳素钢锻件技术条件
GB/T 12229通用阀门碳素钢铸件技术条件

1.2 工业石油天然气阀门标准美国石油协会
美国石油学会(American Petroleum Institute)是一个非营利机构，是美国石油工业主要的贸易促进协会，成立于1919年。API负责石油和天然气工业用设备标准的制定和出版，确保石油天然气工业设备的安全、可靠使用以及可互换性。API代表美国石油工业勘探、开发、运输、炼化和营销等方面280多家公司的利益，其会员来自世界各地，API标准在世界范围内有着广泛的影响力。

API标准中关于阀门标准较多，主要包括：
①管道阀门规范(API 6D)。
②法兰和对焊端螺栓连接阀盖钢制闸阀(API 600)。
③石油天然气工业用DN100 mm及以下钢制闸阀、截止阀和止回阀(API 602)。
④井口和采油树设备(API 6A)。此4个标准中，API 6D*为常用。
2工业石油天然气阀门标准 标准规范应用要点分析与对比
阀门*主要的参数是阀门尺寸、压力等级和材质，通常这3个参数会在阀门阀体上标识出。例如标记2″150 WCB，代表阀门内径为2英寸(实为所连接管道的尺寸，非阀门真实内径)、压力等级为150磅级、材料为WCB的阀门。以下从阀门尺寸、压力等级以及材料等方面，对常用标准的应用要点进行分析与对比。

2.1 ASME B16.34
ASME B16.34是工业阀门*基础的标准，同样适用于石油天然气工业，该标准起源于1939年美国标准协会(ASA)出版的B 16E标准[4]，每4～5 a修订一次，*新版本是ASME B16.34—2017 《Valves—Flanged, threaded, and welding end》。ASME B16.34中可以找到对阀门尺寸、温度压力等级、材料和阀体壁厚等的规定。
2.1.1 阀门实际内径
ASME B16.34给出了不同管道公称尺寸(NPS)、不同压力等级下阀门对应的内径尺寸表，该表可用于确定阀门真实内径，为非强制附录A中表A-1。为方便文中分析时进行参照，摘取ASME B16.34的非强制附录A中表A-1的部分数据，见表1。
从表1可知，对于给定的NPS，阀门的内径并不精确等于管道尺寸NPS，且不同压力下阀门的内径不同，随着压力等级升高，阀门内径逐渐减小。对于给定的NPS(阀体上标注的尺寸)，可查到对应压力等级下的阀门真实内径。

2.1.2 阀门压力等级
阀门压力等级表征阀门的承压性能。ASME B16.34表3A提供了阀体*小壁厚与阀门等级及管道内径的对应关系,根据表3A可确定阀门*小壁厚。阀门设计中通常考虑一定的安全系数，取*小壁厚的1.35倍确定为阀门壁厚。为方便文中分析时进行参照，摘取了ASME B16.34 表3A的部分数据，。可以看到，阀门的压力等级、连接管道的内径和阀门的*小厚度这3个参数之间关系密切，只要其中2个数值已知，就可据表查出第3个。Class 150、Class 300、Class 600、Class 900、Class 1500、Class 2500和Class 4500中的数值无单位，不表示具体的压力，只是一个概数。如2″CL 150的阀门，其承受的压力并不准确等于150PSI(Pounds per square inch)。
阀门材料承受压力的能力取决于材料的强度，而材料的强度又与使用温度有关，因此准确的压力值还需要进一步根据阀门的使用温度来确定。ASME B16.34中表2根据阀门材料的不同分为表2-1.1～表2-3.19(根据ASME B16.34，将阀门材料分成了3类共50组材料)，每组材料对应1个表格，Class 150的阀门，其工作压力在不同温度下的值为19.6～1.4 bar(284～20.3 PSI)，并不一定等于150 PSI。

2.2 ASME B16.5
ASME B16.5是设计法兰连接式阀门的设计标准，包括法兰的尺寸、法兰与管道、法兰与法兰间的连接形式。法兰连接的阀门中绝大多数法兰都是与阀体一体的，因此只需考虑阀门法兰与管道端的法兰连接形式即可，两片法兰之间连接需要用垫片来进行密封，通过螺栓紧固，使两片法兰夹紧垫片而不产生泄漏。ASME B16.5提供了常用的突面(Raised Face，RF)和全平面(Flat Face，FF)、凹面(Female Face)和凸面(Male Face)、榫面(Tongue Face)和槽面(Groove Face)、环连接面(Ring Joint Face)4类密封形式的法兰密封面形式，见图1。阀门设计时，一般依据压力等级条件选择法兰密封面形式。
2.2.1 突面和全平面密封
当阀门的压力等级较低(Class 150和Class 300)时，阀门法兰与管道端法兰采用RF密封面形式，不需要对垫片进行保护，两片法兰直接夹紧垫片实现密封。垫片厚度较大(一般大于4.5 mm)时，可直接采用FF密封面的法兰进行连接。
2.2.2 凹凸面密封
当阀门的压力等级升高(Class 600和Class 900)时，阀门与管道之间的连接采用凹凸面(Male Face & Female Face，MF)密封形式。MF密封面与垫片配合使用时，垫片处于Female端的凹面内，可以承受升高的压力作用而不被破坏。
2.2.3 榫槽面密封
当阀门的压力等级继续升高(Class 1500)时，阀门与管道之间的连接采用榫槽面(Tongue Face & Groove Face，TG)密封形式。TG密封面与垫片配合使用时，垫片处于Groove断面的沟槽的封闭空间内，可以承受更高压力的作用而不被破坏。
2.2.4 环连接面密封
当阀门的压力等级更高(Class 2500) 时，采用环连接面(RJ)密封面连接形式。此时与密封面配合使用的垫片要求相应提高，内环石墨、外环金属缠绕的垫片也需替换为八角金属垫片，这种结构中金属垫片嵌在两片法兰之间的密封圈内。
法兰尺寸需根据ASME B16.5中的相关表格确定。以Class 150 法兰为例，需运用ASME B16.5中表4-法兰面尺寸(除RJ形式外的所有压力等级)和表7-150磅法兰钻孔模板来确定法兰的尺寸，包括法兰外径、螺栓孔中心位置、螺栓数量、垫片直径和厚度以及法兰内径。

2.3 ASME B16.10
阀门的结构长度对于保证阀门的互换性具有重要意义。更换阀门时，要保证更换不会改变连接管道的长度，不仅要选对阀门的材料、规格、压力等级和端面连接形式，还要选对阀门的结构长度。确定阀门的长度要依据ASME B16.10标准。
2.4 API 6D
API 6D是管线阀门标准，全称为《管道及管线阀门规范》，与ISO 14313:2007《石油天然气工业-管线输送系统-管线阀门》等同，该标准是石油天然气工业阀门设计的重要标准，其适用范围包括闸阀、旋塞阀、球阀和止回阀。
在阀门主要设计要素上，API 6D和ASME B16.34有所不同，API 6D中关于阀门尺寸、压力和材料的规定如下。
2.4.1 阀门内径
阀门设计中首先要确定的尺寸是阀门内径。API 6D中以表格(表1)形式提供了全通径阀门*小通径尺寸，此表与ASME B16.34中的表A-1的作用一致，用来确定阀门内径。
比较API 6D中的表1和ASME B 16.34中的表A-1可以看出，2个标准的阀门内径不一致，以4 in Class 900阀门为例，ASME B16.34中查到的阀门内径为98.3 mm，API 6D中查到的阀门*小通径为100 mm，显然API 6D阀门的内径要比ASME B16.34阀门的大。
这是因为API 6D考虑了阀门在石油天然气工业应用中介质和环境的特殊性。当管道和阀门处于输送原油的系统中时，由于原油具有黏性，通常会在管道内壁形成结蜡，为保证管道畅通需用清管器进行清管操作。为保证清管器的顺利通过，用于原油输送系统中的阀门没有缩径阀门，因此API 6D中的阀门尺寸比ASME 16.34中的阀门尺寸大。
2.4.2 阀腔自动泄压
API 6D 中采用了与ASME B16.34基本相同的阀门压力等级和阀门温度等级。不同的是，API 6D规定了阀腔自动泄压要求。阀门在开关过程中，流体介质会进入阀腔，阀腔会存在压力，且随着环境温度升高，阀腔内压力也会升高，但阀腔承受的*高压力不能高于1.33倍的阀门压力。按照自动泄压功能要求，当阀腔内压力高于管道内压力时，阀座离开球体或闸板，将压力泄放到管线中，阀腔超压泄放示意见图2。按照自动泄压功能要求，阀座应为单活塞效应(Single Piston Effect，SPE)类型的阀座。
2.4.3 材料
API 6D 中阀门材料与ASME B16.34保持一致，都采用ASTM材料标准。API 6D阀门许多内部零部件材料为非金属材料，在阀门设计时需要有防火安全的设计。阀座采用2种材料组成，外圈是金属材料、内圈是非金属材料，在出现火灾非金属材料的阀座失效时，金属阀座可以充当第2道密封，以隔绝火情。

2.4.4 阀座
API 6D中阀座结构有2种，分别是单向密封阀座结构和双向密封阀座结构。单向密封阀座结构具有单活塞效应，双向密封阀座结构具有双活塞效应。单向密封阀座结构见图3，此阀座具有自动泄压功能。当阀门处于关闭状态时，在球体上游的流体介质会聚积并产生压力，使阀座紧靠球体实现密封。中腔压力升高时，中腔压力反推阀座，压缩预紧弹簧，将使下游阀座脱离球体而将超出的压力泄放。这种阀座的布置形式可实现双截断泄放功能(Double Block & Bleed，DBB)。单向密封阀座只对单个方向的流体介质起密封作用，上游流体介质推动阀座向球体运动，产生密封比压，形成密封。下游流体则推动阀座离开球体，产生泄放。阀座对下游流体不起密封作用，以此实现单活塞效应。
当阀门在关闭位置且上游阀座失效时，阀腔中的压力因介质充入而增加。阀腔中的压力将激发下游阀座的双活塞效应，使下游阀座与球体之间形成第二道密封。这种阀座的布置形式能实现双隔断泄放功能(Double Isolation & Bleed，DIB)。由以上分析可知，双活塞效应阀座的功能是，对单个阀座来说，无论是阀腔充压还是管道充压，阀座均是抱紧球体。2种不同阀座组合可实现不同功能，上下游阀座都是SPE阀座时，这种阀门可实现DBB功能；上下游阀座都是DPE时，可实现DIB功能。

3 工业石油天然气阀门标准结语
介绍了石油天然气工业3种的ASME阀门标准和1种API阀门标准，分析比较了各标准在阀门结构尺寸、压力等级、材料选择以及阀座结构形式等方面的应用要点，可为相关技术人员提供参考。需要说明的是，随着社会经济的发展和科学技术的进步，标准和规范也在不断修订和完善中，要全面了解和深入掌握不同时期ASME和API标准的要求及其细微差异，还需要深入研读标准原文。