超低溫閥門的縮頸技術*

李 河 張周衛,2 汪雅紅,2 李 躍

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

超低溫閥門的縮頸技術*

李 河**1張周衛1,2汪雅紅1,2李 躍1

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

針對超低溫閥門閥蓋頸部長度過長和閥桿高度過高的問題，提出了彈性閥桿技術、散冷翅片技術、迷宮密封和多重密封技術，為超低溫閥門閥蓋和閥桿的結構設計優化提供技術參考。

超低溫閥門 彈性閥桿技術 散冷翅片技術 迷宮密封和多重密封技術

隨著現代工業技術的快速發展，液氫、液氧及液化天然氣等得到了廣泛應用。而低溫液體的液化分餾、運輸和儲存需要大量的超低溫閥門，因此超低溫閥門的應用也越來越廣[1]。但是由于超低溫閥門使用環境溫度太低，技術條件要求比較苛刻，因此發展遇到了一些瓶頸，例如，確定超低溫閥門閥蓋頸部的長度、將閥蓋頸部長度和閥桿高度縮小到最短等。尤其是閥蓋頸部的長度，國內外都沒有具體的理論計算公式，技術人員大都憑借經驗或采用實驗和模擬的方法確定其值[2]。

根據超低溫閥門在超低溫(-100℃以下)條件下的工作特點，超低溫球閥、閘閥及截止閥等為了保護填料函，使填料底部溫度保持0℃以上，防止填料函因溫度過低而凍傷。它們的閥蓋通常采用長頸閥蓋的結構形式[3]，但是隨著閥蓋頸部長度的增加，閥桿長度也會增加，在閥門開啟和關閉過程中，閥桿扭矩也隨之增加，其旋轉作用力也隨之加大；同時，閥門體積增大，占用空間增大，制造加工成本也會增大。為此，筆者針對超低溫閥門長頸閥蓋結構存在的缺點，提出了彈性閥桿技術、散冷翅片技術、迷宮密封和多重密封技術，以縮短超低溫閥門閥桿高度和閥蓋頸部的長度，從而減小超低溫閥門整體高度[4,5]。

1 彈性閥桿技術

彈性閥桿的結構示意圖如圖1所示。彈性閥桿在超低溫工作條件下，其上閥桿與下閥桿之間有由溫差應力產生的相互作用力，可以通過閥桿彈簧改變整體閥桿長度的方式自適應調節，即上下閥桿因溫差產生的應力將全部卸載到彈簧上，使它們不會發生形變。在超低溫工況下，可根據系統的具體要求，調節并校正閥桿彈簧預應力，并在預緊狀態下安裝于閥桿上，使閥桿彈簧預應力大于超低溫管道內的工作壓力。設置有預應力的可收縮彈性閥桿可根據超低溫工況下閥體的溫差應力自由收縮，以適應閥體的溫度變化。這不僅能夠保證密封面所需的預應力，確保密封面不會因為大溫差變化而導致泄漏，而且還能夠降低閥桿高度，減小閥桿旋轉時的扭矩。

圖1 彈性閥桿的結構示意圖

2 散冷翅片技術

根據超低溫閥門冷量由閥體向上傳遞的特點，實際應用中可根據閥門的大小，在閥蓋外設置傳熱系數較大的多重圓形散冷翅片(圖2)，以增大閥蓋頸部與環境的換熱面積，強化金屬壁面與周圍環境的對流換熱。當冷量向上傳遞時經散冷翅片散入大氣環境中，可有效阻止冷量繼續向上傳遞，確保填料函不結霜、不結冰。

圖2 散冷翅片的結構示意圖

3 迷宮密封和多重密封技術

雖然超低溫閥門絕大部分的冷量會通過閥體向上傳遞，但是還有少部分冷量會通過閥桿向上傳遞。所以，按照迷宮密封的原理，在低溫閥桿上部開設多個節流降壓環形齒槽。當閥門打開時，壓力較高的低溫液體經多個環形齒槽節流連續降壓后，迅速汽化形成高壓氣體，并密封于閥門上部，與底部低溫液體的壓力達到平衡，以此抵制低溫液體直接向上滲透并接觸上部密封面，避免密封面凍壞，延長密封面的使用壽命。同時，節流汽化后的氣體溫度升高后，密封于閥門上部，可降低低溫液體與閥門內表面的傳熱速度，延緩冷量沿閥桿向上傳遞的速度，以此降低閥桿和整個閥門的高度。

此外，在閥門頂部設置多重低溫密封，并填充多重密封函，以滿足超低溫的密封要求，最大限度地降低超低溫介質的泄漏[3]。

4 結論

4.1采用彈性閥桿技術可極大地降低超低溫閥門閥桿的高度，減小閥桿旋轉時產生的扭矩。

4.2加裝散冷翅片后，增大了閥蓋頸部與環境的換熱面積，阻止了冷量的向上傳遞，減小了超低溫閥門閥蓋頸部的長度。

4.3采用迷宮密封和多重密封技術可使超低溫閥門的密封性能更好，安全性能更高。

4.4將3種技術結合，可有效降低閥門的整體高度，使超低溫閥門的體積更小，結構更精巧，更便于閥門的管理，還可以節省加工制造成本，既保留了長頸閥蓋的優點，也彌補了其缺點。

[1] 李康,蒲亮,王國平,等.液氫低溫截止閥傳熱及應力的模擬研究[J].低溫工程,2014,(6):12～16.

[2] 梁曉剛,陳宗華.低溫閥門設計技術研究及分析[J].化工設備與防腐蝕,2003,6(5):8～11.

[3] 陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2012:1～6.

[4] 張周衛,汪雅紅,張小衛,等.LNG球閥[P].中國:CN201410060746.1,2014-05-14.

[5] 張周衛,汪雅紅,張小衛,等.LNG截止閥[P].中國:CN201410053777.4,2014-05-14.

*國家中小企業創新基金項目(12C26216207017，13C26216205878)。

**李 河，男，1990年1月生，碩士研究生。甘肅省蘭州市，730070。

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