低溫閥閥蓋頸部長度與低溫球閥安裝方向探討

吳　軍，蔡曉峰

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢　430223)

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低溫閥閥蓋頸部長度與低溫球閥安裝方向探討

吳軍，蔡曉峰

(中國五環工程有限公司，湖北 武漢430223)

摘要：針對低溫閥的特點，本文重點探討了低溫閥門長頸閥蓋的作用及長頸閥蓋長度的推導過程，闡述了低溫球閥的結構原理，并指出其安裝方向的判別方法。根據本文中介紹的方法，可以準確判別出低溫球閥的安裝方向，避免因錯誤安裝而造成的經濟損失。

關鍵詞：低溫球閥；閥蓋；頸部長度；安裝方向

低溫閥門是石油化工、空氣分離、天然氣、制冷和低溫工程上不可缺少的重要設備之一。

一般認為，工作溫度低于-29 ℃的閥門稱為“低溫閥門”，工作溫度小于-100 ℃的閥門，稱為“超低溫閥門”[1]。其中超低溫閥門與普通閥門相比有很多不同特點。比如LNG閥門的閥體、閥蓋、閥瓣、閥座、閥桿等零件在精加工前宜進行深冷處理，消除這些部件材料因發生組織轉變而導致的體積變化[2]。除此之外，閥門設計手冊還對低溫閥門的墊片、填料函及填料、上密封、中法蘭螺栓、保冷、預防異常升壓的措施等進行了說明[3]。

本文專門針對超低溫閥門最顯著的兩個特征——長頸閥蓋與安裝方向進行探討。

1長頸閥蓋

低溫閥門的一個最顯著的特點就是其閥蓋一般為長頸結構，某LNG項目現場低溫球閥見圖1。

圖1　某LNG項目現場低溫球閥

1.1長頸閥蓋的作用

(1)保護填料函，并使填料部位溫度在0 ℃以上，防止因填料函過冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結霜或凍結。在低溫狀態下，填料彈性逐漸消失，密封性能隨之下降，介質的滲透會造成填料與閥門處結冰，影響閥桿正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴重泄漏。

(2)防止冷能損失。長頸結構便于纏繞保冷材料，防止冷能損失。

(3)保證施工安裝空間。一般超低溫閥門保冷層會比較厚，加長的閥蓋也保證了保冷施工的空間，并使填料壓蓋位于保冷層外，添加填料及緊固壓蓋螺栓時，無須損壞保冷層。

1.2滴水板的設計

滴水板也稱為隔溫板，是一塊焊在填料函下部長頸部分的圓形板，其主要作用有：①支持保溫材料；②提高保溫效果[3]。

大連理工大學的孫奇通過有無滴水板對整個閥體進行了溫度場模擬對比，發現有滴水板的閥門閥蓋上端的溫度明顯升高，滴水板可以有效地減緩閥體溫度向填料及閥桿上端的傳遞，進一步保證填料部位和閥桿上部零件的溫度在0 ℃以上[4]。滴水板另外一種用處就是當滴水板設置在保冷層的外側時，可以防止冷凝水滴落到保冷層及閥體上部，保護保冷層并防止冷量流失。

長頸閥蓋見圖2，其頸長是按照材料的導熱系數、導熱面積及表面散熱系數等因素來決定的。目前，國內外關于低溫閥門頸部伸長量相關的文獻比較少，相關標準中給出了閥蓋頸長的推薦值，但是沒有說明計算公式或推導過程，筆者將通過熱力學理論，推導低溫閥門長頸閥蓋長度的計算公式，為工程設計提供理論計算依據與參考。

圖2　長頸閥蓋

1.3閥蓋頸部長度L1與溫度分布的計算

從換熱的角度出發，可以建立簡化的物理模型，見圖3。閥蓋、閥桿壁面與環境之間的對流換熱系數均為h1，L2起到增加L1頂部對流換熱系數的作用，假定相對于L1頂部的當量對換系數為h2，具體參數對應關系見圖2、圖3。

圖3　圓柱體傳熱模型

(1)

(2)

邊界條件為[5]：

r=0 tr=0

z=0t=t0

式中，tf為環境溫度；h1為L1部分對流換熱系數；h2為L2與L1結合部分的當量對流換熱系數；λ為材料導熱系數；t0為低溫液體溫度；t為長頸閥蓋溫度場；r1為閥筒的半徑。

θ(r,z) =tf-t(r,z)tf-t0

(3)

1.4當量對流換熱系數h2的計算

再將L2部分看成沿z軸變化的一維換熱翅片，其與環境的換熱量為：

Q1=∫L202πr2h1(tf-t)dz

Q1=2πr2h1(tf-t1)th(mL2)

(4)

式中，r2為閥桿半徑；t1為翅根處的溫度，

t1=tf-θ(r1,L1)(t0-tf)

翅片L2的溫度近似沿z方向線性變化，翅端溫度與環境溫度tf相同，為了求對流換熱系數h2，引入L2的線性平均溫度，其中t2為L2頂端處溫度：

(5)

若L1的頂端以平均溫度tm與環境對流換熱時，其當量流量對流換熱系數應滿足：

(6)

根據式(4)～(6)即可得到當量對流換熱系數h2。

1.5閥蓋頸部長度L1的計算

由式(3)可得長頸閥蓋不同長度處的溫度數學表達式：

t(r,z)=tf-θ(r,z)·(tf-t0)

(7)

當r=r2，z=L1時，為避免填料處結冰，填料底部溫度應為273K(0 ℃)。

因此式(7)滿足：

(8)

并由此得出溫度等于273K時，閥蓋頸部長度L1：

L1=Ln y/β1

(9)

式中，

(10)

通過上述公式，俞樹榮等以20 mm低溫承插焊截止閥為例，從理論上計算出L1=140 mm與實用閥門設計手冊數值一致[6，7]，而明友等也以DN40，150LB的低溫球閥為例，認為MESC SPE 77/200和BS6364-1998中規定的閥蓋頸部長度是比較安全的[1]。殼牌石油標準MESC SPE 77/200給出的低溫閥加長桿的長度見表1。各個廠家的產品在加長閥蓋的長度規定上會稍有不同，在設計時需要參考選定廠家的產品尺寸，以免現場安裝發生碰撞。

表1　最小蒸汽空間和保溫套長度(加長閥蓋)[8]

注：此表考慮了低溫閥門的使用溫度和保冷材料的厚度。

1.6注意在設計過程中為保冷閥門留足空間

低溫閥門比普通的閥門閥桿要長，安裝時占用的空間比較大，需要在設計的時候注意閥門朝向以及安裝距離。下面圖4、圖5就對低溫球閥的設計與現場施工實際情況進行了對比，設計時按普通閥門考慮空間是滿足要求的，而現場的實際情況是出現了碰撞。

圖4　PDMS設計的低溫閥門大小模型

圖5　現場實際低溫球閥安裝情況

2低溫球閥方向性問題

2.1低溫閥門使用環境

低溫閥門，特別是超低溫閥門，其工作溫度極低(-100 ℃以下)[8]。在設計這類閥門的時候，除了遵循一般閥門的設計原則外，還需注意這類超低溫球閥最為顯著的特征之一，即中腔自動泄壓功能。當然，除了超低溫介質，其他易于氣化的液體介質用球閥和閘閥也多需要中腔泄壓設計，例如液氨、液化石油氣、丙烯等。

這里以LNG系統的超低溫球閥為例， 當這類超低溫閥門關閉后，閥腔內會殘留一些LNG液體。隨著時間的推移，這些殘留在閥腔里的LNG液體會逐漸吸收大氣中的熱量，回升到常溫并重新氣化。氣化后其體積急劇膨脹，產生極高的壓力，并作用于閥體內部。這種情況稱為異常升壓，這是低溫閥門特有的現象。

2.2低溫閥門泄壓孔

LNG在-162 ℃時壓力為0.2～0.4 MPa(g)，當溫度回升到20 ℃時，壓力增加到29.3 MPa(g)[3]。這時，高壓甚至會將其中的法蘭墊片沖出或沖壞填料；也可能引起閥體、閥蓋變形，使閥座密封性能顯著下降；甚至導致閥蓋破裂，造成嚴重事故。為防止異常升壓現象發生，一般采取在低溫閥門的結構上開具泄壓孔的措施。

設置泄壓孔，又稱壓力或排氣孔，即在球閥球體或閥體上鉆一小孔，作為閥門內腔和進口側的壓力平衡孔。當閥腔壓力升高時，氣體可以通過小孔排出，這種方法比較簡單，目前已被廣泛采用。平衡孔采用泄壓孔以防止異常升壓，在閥體設計時，應有指示泄壓孔方向的箭頭，泄壓孔開設的位置視閥門的結構而定，有的在閥體上，見圖6；有的在球體上，見圖7。

圖6　低溫閥門泄壓孔在閥體

圖7　低溫閥門泄壓孔在球體

2.3低溫閥門泄壓孔方向判斷

對于這種低溫球閥的泄壓要求，可通過設置泄壓孔、泄壓通道或其他辦法(例如泄壓閥座)達到，可將閥蓋和閥體空腔內的壓力泄放到閥門的進口端，即高壓側[9]。

關于排放系統泄壓方向排向高壓側的說法，在《石油化工管道設計器材選用通則》中也有相應描述：對于低溫系統的彈性閘板閘閥，應在其高壓側的閥盤上開一個排氣孔[10]。 當泄壓孔在閥門內的開孔方向朝進口方向時，由于進口方向壓力高，在閥門關閉時會將閥瓣或球體推向出口側，出口側密封面能獲得較高的比壓，密封效果較好[11]。

恰恰是這種泄壓孔，導致低溫閥門具備了方向性。通常對于這種低溫球閥，在閥體上會標有箭頭。這些箭頭的表示方向的含義應以業主與閥門制造廠的合同規定為準，一般來講，箭頭所指向的是這種低溫閥的泄壓孔方向(也即高壓端方向)，而非介質流向，見圖6(a)和圖7(a)。這里需要提醒的是：這個高壓端方向并非總是與管線流向相反，而應該理解為閥門關閉時的上游方向[8]。也就是說低溫球閥閥體上箭頭方向可能與介質流向相同，也可能與介質流向相反。

舉一個LNG系統簡單而典型的例子。圖8中所示是LNG的PID所標示的一個安全閥組，其中一共有4個帶泄壓孔的低溫球閥，球閥上尾巴的方向即表示了泄壓孔的方向。低溫球閥的方向大致可以分為如下3種情況。

圖8　LNG工藝流程(低溫球閥)

(1)導淋與放空。如圖8中的V07111低溫球閥，因為其屬于一個類似放空作用的閥，這個時候，閥門的泄壓方向是朝向系統內的，而不是指向環境。

(2)正常情況。圖8中安全閥前的V07112球閥，正常情況下是關閉的，這個時候左端就屬于關閉時的高壓端，因而球閥放空孔指向左，泄壓孔與介質流向相反，V070109與之類似。

(3)檢修情況。圖8中安全閥后的V070110，其泄壓孔卻指向與介質流向相同，分析其原因，閥V070110正常情況是開的，當安全閥檢修的時候，需要將此閥關閉(同時V070109也處于關閉狀態，而旁路閥V070112則打開)，此時如果球閥腔內聚集高壓蒸汽，可以瞬間排放至安全側(即閥門關閉時的上游側)，而不是泄向大氣，從而造成污染或其他安全事故。

上面3種情況泄壓孔與介質流向有的相同，有的相反，但是卻都是排向閥門關閉時的高壓側(也即安全側)。在項目現場，經常有工人誤以為低溫球閥箭頭的方向就是介質流動的方向，這種理解是片面的，這個時候工人一定要嚴格按照工藝PID的要求以及管道軸側圖所標示的方向安裝，否則非常容易導致事故發生。

3結語

本文針對低溫閥的顯著特點，首先探討了長頸閥蓋的作用以及計算原理，并提醒設計者在進行管道布置的時候，低溫閥的安裝空間一定要足夠，不然很容易導致現場碰撞；隨后針對低溫球閥的泄壓孔進行了探討，認為正是泄壓孔的存在，導致了低溫球閥的安裝具有方向性，并且閥體上箭頭的方向并非表示介質流向，而是泄壓孔的方向。選擇正確的安裝方向不僅更有利于閥門密封，保護了閥門，還會避免潛在的安全隱患。

參考文獻：

[1] 明友，陳鳳官，等.基于ANSYS的低溫閥閥蓋頸部長度傳熱學分析[J].低溫與超導，2013，41(11)：28-31，88.

[2] 姚長青，鄭超，等.LNG低溫閥門技術發展趨勢分析[J].化工設備與管道，2014，51(01)：8-11，36.

[3] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.

[4] 孫奇.LNG超低溫閥門的設計及材料低溫物性的研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[5] 何燕慧，陳德林.機械密封溫度場及其熱應力的有限元計算[J].蘭州理工大學學報，2007,33(3):72-74.

[6] 俞樹榮，金維增,等.低溫閥門閥蓋頸部溫度場分析[J].蘭州理工大學學報，2012,38(5)：58-61.

[7] SHELL MESC SPE 77/200,valves in low temperature and cryogenic services[S].

[8] 那麗,等.超低溫球閥的結構設計特點及安裝要求[J].煤化工，2013，41(2)：65-67.

[9] BS 6364-1984，Specification for Valves for cryogenic service[S].

[10] SH 3059-2001，石油化工管道設計器材選用通則[S].

[11] 劉先禹，霍金海.低溫閥門特點的探討[J].廣州化工,2009,37(5):197-199.

Discussion on Cryogenic Valve Bonnet Neck Length and Cryogenic Ball Valve Mounting Direction

WU Jun，CAI Xiao-feng

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：For the unique characteristics of cryogenic valves, this paper focuses on the roles of long-necked valve bonnet of cryogenic valves and derivation process of the neck length, then discusses the structure and principle of cryogenic ball valve, and points out the methods how to discriminate its installation direction. Methods proposed in this article can accurately give the installation directions of common ball and cryogenic ball valves to avoid economic losses caused due to incorrect installation.

Keywords：cryogenic ball valve; valve bonnet; neck length; mounting direction

收稿日期：2015-12-12

中圖分類號：TH 134

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901(2016)01-0015-05

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.005 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.005

作者簡介：吳軍(1985年-)，男，湖北仙桃人，2010年畢業于天津大學化學工程專業，碩士，工程師，現主要從事管道設計工作。