自補償式超低溫球閥的設計

郭懷舟，吳懷昆，朱紹源，郝偉沙，高紅彪，陳鳳官，明友

（合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230088）

球閥以啟閉迅速、密封可靠、結構簡單、重量輕、流阻小等特點，目前在低溫管道系統得到較廣泛應用。用于工業低溫管道的球閥，除少量一部分特殊用途、非典型結構的以外，大都為非金屬軟密封閥座結構，由于其運行工況惡劣，作用關鍵，因此密封要求高，性能考核嚴格，其低溫性能試驗是生產與使用過程中的一道關鍵工序。隨著國內閥門行業技術的不斷進步，國內閥門制造商逐漸開始具備生產超低溫球閥的能力，但產品性能與國外產品相比還有一定的差距，這也是目前國內LNG接收站仍然以國外產品為主的重要原因之一。

1 低溫環境下球閥密封失效的原因

超低溫球閥低溫試驗中最經常出現的問題就是密封失效，產生泄漏。由于閥門的裝配和密封預緊力的施加都是在常溫下進行的，進入超低溫環境后，由于材料自身特性，產生收縮變形，必然引起密封面應力變化。在超低溫環境中，密封副不論是金屬或非金屬，都會發生低溫收縮現象。對于一些由彈簧或螺栓等預緊元件施加的裝配預緊力，由于裝配過程都是在常溫下進行的，閥門進入低溫環境下，由于密封材料厚度方向和預緊元件長度方向的尺寸減小，都會造成裝配預緊力松弛，帶來密封比壓下降。另外，不論金屬還是非金屬，在低溫下，硬度都會有所提高，硬度越高，其表面的微觀峰谷就越不易被壓平，所需的密封必須比壓qMF也就越大。

2 自補償式超低溫球閥主要結構的設計特點

低溫閥門在進行主件設計時，遵循以下幾項原則：①低溫下的氣密性能；②材料在低溫下保持工作條件所需要的機械性能，特別是沖擊韌性和相對延伸率；③符合低溫介質防爆性的相容條件；④保證一系列零件所必須的熱物理性能，其中包括熱導率小；⑤保證在低溫及摩擦零件無油潤滑的情況下，具有必需的耐磨性；⑥保證低溫閥的零件具有必需的耐蝕性。

頂裝式結構設計，對焊連接，球閥帶自卸壓功能，用來釋放閥腔內的異常高壓，泄壓方向朝介質入口端方向。閥門具有防靜電結構、防火結構、自動補償結構。延長的閥桿設計，保證了執行機構和填料可以在正常允許工作溫度下工作，杜絕了因溫度過低帶來的閥門損壞和使用阻礙。用于深冷閥門的金屬材料都需要經過深冷處理，以保證組織結構的穩定性。閥門結構如圖1所示。

圖1 閥門結構

2.1 閥座密封自動償結構設計

閥門為上裝式低溫球閥，閥體的入口、出口流向通道與水平線設計為夾角存在，閥體與閥座圈接觸的平面是一個與垂直面帶夾角的斜平面，水平夾角與垂直夾角度數相同。閥座內襯在閥座圈上使得閥座與閥體、球體接觸形成閥座密封。球體設計為V型球體，球體的流向通道中心與球體中心存在垂直方向上的偏心。球體上設計有一個泄壓孔。彈簧座與閥桿通過螺紋聯結，彈簧座與球體上平面之間設計一彈簧。該結構的特點是：當在常溫下裝配好閥門后，裝配預緊力固定，在低溫情況下，由于密封副的尺寸微收縮，會導致原先的裝配預緊力松弛，密封比壓下降，這時，預先壓縮的彈簧會釋放能量，將球體連同閥座和閥座圈向下推，使閥座圈與閥體斜平面、閥座與球體緊密接觸，補償預緊力松弛，增大密封比壓，加強密封。同理，該結構也能補償因密封副在使用過程中因磨損而發生的裝配預緊力松弛現象。

2.2 強制補償組件設計

閥蓋下部設計一矩形開襠，當閥桿轉動時，由于彈簧座無法在閥蓋開檔處轉動，只能通過螺紋副沿著閥桿升降，擠壓或放松彈簧。閥門關閉過程中，隨著閥桿的轉動，彈簧座順著閥桿下移向下擠壓彈簧，彈簧向下擠壓球體、閥座、閥座圈，使球體、閥座、閥座圈順著閥體的斜平面下滑楔緊而增強密封比壓。另外，閥門開啟過程中，隨著閥桿的轉動，彈簧放松，從而減少密封副的磨損，增強閥門的使用壽命。

閥桿與彈簧座通過螺紋副連接，此處螺紋應采用多頭螺紋，增大導程，增加閥門關閉過程中的彈簧壓縮量。

2.3 填料密封補償結構設計

填料密封設計為多層次密封結構，具有動態自動補償裝配預緊力的功能，結構圖如圖2所示。

圖2 多層次填料密封結構

多層次密封為三道密封，由下到上分別為由PTCFE制作的V型組合填料（2）、由硅氟橡膠制作的O型圈（4和5）、由石墨制作的填料環（6）。三道密封底部由彈簧（1）支撐，常溫裝配時預壓縮彈簧，當填料由于低溫或磨損發生預緊力松弛時，彈簧釋放能量，頂緊填料，增大預緊力，補償預緊力松弛。

2.4 防靜電設計

低溫球閥使用在諸如LNG等易燃易爆場合中，為了防止閥門啟閉時產生靜電，引燃介質，都需要防靜電設計。一般在閥桿和球體，閥桿和閥體或閥蓋之間設計導電彈簧。本閥門中的強制補償組件，將閥蓋、閥桿與球體互相連接，直接具有防靜電功能，無需另外單獨設計防靜電結構。

2.5 防火設計

閥座圈設計有防火刃，當發生火災后，非金屬閥座由于高溫燒毀后，組合閥座的厚度尺寸小，組合閥座在彈簧的推力下，順著閥體的斜面下滑楔緊，閥座圈的防火刃與球體形成硬密封，有效組織介質擴散，防止火災擴大。

3 低溫試驗驗證

閥門樣機規格NPS:2"，Class：300Lb，按照BS 6364標準要求進行低溫性能試驗。閥門浸泡在液氮中，液氮液面浸沒閥蓋，待閥內溫度達到-196℃穩定后，以氦氣為增壓介質，增壓至5MPa，保壓300秒，閥后接酒精氣泡計串聯流量計觀察并測量泄漏率，試驗結果如圖3所示。

圖3 低溫性能試驗數據

4 結語

超低溫球閥設計具有自動補償裝配預緊力的結構，不但能使閥門在低溫環境下實時補償因溫度降低造成的裝配預緊力松弛，還能補償閥門因磨損造成的裝配預緊力下降，增強密封副的密封比壓，強化密封效果。

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