一種新型超低溫浮動球閥結構分析設計*

何 俊，龐 媛，彭成武，李 超，韓龍生

(湖北泰和石化設備有限公司，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

近年來，我國石化行業發展迅速，尤其是天然氣的開發，隨著石油開采所帶來的環境問題愈發的嚴重，天然氣已經成為我國能源消費中的一個不可替代的角色，在人們的生產和生活中被廣泛使用，對社會生產及生活帶來了積極的影響[1]。而液化天然氣在很多情況下都更為的經濟，其運輸與儲存都需應用到超低溫閥門，使得對超低溫閥門的需求與日俱增，也對超低溫閥門提出了更高的要求。我國進入超低溫閥門領域時間不長，技術落后于國外，大量依賴于進口。雖然隨著國產化的推進，一些閥門生產企業開始涉足超低溫閥門，生產技術有了明顯的提高，但限于投資成本及制造技術等因素，低溫閥門的生產制造還是有一定的局限。

超低溫球閥由于其啟閉迅速、流體阻力小、噪音小等優點，在液化天然氣的運輸和儲存過程中得到了重要的應用。球閥按球體形式可以分為浮動球閥和固定球閥兩種，浮動球閥的球體是浮動的，球體在流道介質壓力和初始密封力的雙重作用下，球體能向出口端產生一定的位移，并緊壓在出口端閥座密封面上，隔斷上游介質，實現密封作用；固定球閥的球體固定在閥體中，受介質壓力作用不會在閥體內產生移動，需足夠的初始密封力和介質力使兩密封圈貼緊球面，保持密封。

浮動球閥的體積小，重量輕，結構簡單，密封性好，廣泛用于中低壓、小口徑環境中。但由于小口徑球閥流道較小，內部加工限制多，因此常見浮動球閥結構不多，主要有斜面式和側裝式等。這些結構形式浮動球閥有各自的優缺點，基本可以適用一些常見工況，但近年隨著液化天然氣行業的快速發展，對超低溫閥門提出了更高的要求，需要有一些新的結構形式來滿足目前日愈嚴苛的工況環境。

通過對液化天然氣作業要求的分析及對常見浮動球閥結構不足之處的研究，設計出一種新型浮動球閥結構形式，對其密封性能、核心部件等做出分析計算，并采用三維仿真模擬。這種新型結構解決了常見浮動球閥扭矩過重、容易卡死、拆裝困難等問題，可以更好的應用于液化天然氣的復雜工況。

1 常見浮動球閥結構特點

1.1 斜面式浮動球閥

常見斜面式浮動球閥如圖1所示，閥體內安裝閥座位置有一定的角度，如同“V”型結構，該結構有如下特點：

圖1 斜面式浮動球閥 圖2 側裝式浮動球閥

(1)閥體密封面為斜面式，裝配過程中會產生一定的初始密封力，可以自動調整閥座、閥體、球體之間的密封性[2]。

(2)安裝拆卸較為方便，在管道上需要維修時，只需拆下閥蓋即可進行零部件的維修和更換，提高了閥門在管道上的使用效率。

(3)有一定的補償作用，一般這種結構球閥會在球體上端安裝彈性蓄能裝置，以補償密封面由于腐蝕、磨損等產生的缺陷，保證密封性能。

斜面式球閥雖然結構簡單，密封可靠，可以滿足我們實際使用的需求，但同時，該結構球閥也存在一定的問題：

(1)加工粗糙度難以保證，閥體斜面結構難以在數控車床上直接加工，而用數控銑床加工又很難達到密封所需粗糙度，為了達到粗糙度要求，需要人工打磨斜面，造成不必要的人力資源浪費。

(2)扭矩較大，為保證閥門的密封性，安裝時，閥體與閥座之間以及閥座與球體之間緊密配合，會造成較大的扭矩，且扭矩大小不便計算。

(3)在使用過程中，由于磨損、腐蝕等影響，球體會下移，造成密封失效、卡死等現象。

1.2 側裝式浮動球閥

圖2為側裝式浮動球閥常見結構，側裝式浮動球閥零部件較少，生產加工較為容易，且便于裝卸，密封性能良好。但其安裝于管道上，難以及時進行維修和保養，如果閥門出現了問題，即使只是需要更換中道墊片，都需將整個閥門從管線上拆除再進行維修更換零件，造成成本的浪費，不適宜用在長管線場合。

1.3 上裝式浮動球閥

圖3為上裝式浮動球閥常見結構，其與斜面式浮動球閥相比較，閥體中腔與閥座配合處為豎直平面，由彈簧提供初始密封力。但其裝配和拆卸過程較為麻煩，需要工裝進行調試，不同規格型號球閥都需準備一套專用工裝，增加成本。

圖3 上裝式浮動球閥

2 一種新型超低溫浮動球閥結構設計

考慮到目前常見浮動球閥結構存在的一些弊端，構想出一種新型的超低溫浮動球閥結構，使其在滿足必需密封性能要求的同時，既可以實現在線維修功能，也可減輕加工難度，符合拆裝方便的需求。

新型超低溫浮動球閥結構見圖4，主要由閥體、彈簧、前閥座、密封圈、球體、后閥座、唇形密封圈、墊片、纏繞墊、加長閥蓋、閥桿、滴盤、填料、填料壓蓋、定位片、手柄等組成。

圖4 新型超低溫浮動球閥結構

閥體中腔腔壁為垂直于流道的豎直平面，在中腔兩側裝有兩楔形閥座，兩閥座與閥體接觸一面設計為豎直平面，與球體接觸一面設計為上窄下寬斜面。前閥座靠近閥體一側裝配彈簧，為閥座和球體的密封提供初始密封力；前后閥座靠近球體的一側裝配密封圈，封住閥座與球體之間的空間；后閥座與閥體之間裝配唇形密封圈，使其密封。

閥蓋與閥體通過螺栓連接，中道密封由唇形密封圈和金屬纏繞墊兩道密封結構組成。閥桿閥蓋間的密封由唇形密封圈和填料兩道密封結構組成，填料壓蓋與閥蓋通過螺栓連接，為防止填料在低溫工況發生收縮產生松動，填料壓蓋螺栓上裝配碟簧，進行變形補償。閥桿上端裝配手柄，操縱手柄可控制閥門啟閉。

2.1 閥座密封

閥座密封是基于一種偏心式球體和楔形閥座結構的構想。主要結構如圖5、6所示，球體為偏心結構，即流道中心線在球體水平軸線下方，偏心距離為c，金屬閥座和閥座密封圈靠近球體一側均為斜面結構。安裝時，由于閥座上部更窄，且與球體切面之間有a～b的間隙，所以無需特定工裝來控制兩閥座的間隙，便于安裝球體。當閥門處于關閉狀態時，球體在前閥座彈簧等蓄能裝置預緊力的作用下，即與閥座密封面緊密貼合到一起，實現密封。這樣相對于圖1中斜面式球閥結構，可以有效的減少啟閉扭矩，且更易裝配，無卡死等情況的發生。且這種新型浮動球閥結構，零部件較少，都易于加工，在保證有效密封性能的同時，拆卸尤其方便，可以迅速在管線上完成保養和零部件的更換。

圖5 開啟狀態 圖6 關閉狀態

相比于常規側裝式浮動球閥和上裝式浮動球閥，本新型浮動球閥結構的實現有兩點需要注意：一是球體的偏心距離難以確定，若球體的偏心距離不夠，則達不到易拆卸的目的；若球體的偏心距離過大，則會引起閥門閉合時球體與密封圈分離，不能密封，且閥座的尺寸過大，造成不必要的物料浪費；二是需要設計閥座的傾斜角度，保證閥門在開啟狀態時方便拆裝，在關閉狀態時球體對閥座有一定擠壓效果，給彈簧等蓄能裝置提供預緊力。

2.1.1 球體偏心距離和閥座傾斜角度的簡單計算

球體直徑可根據介質工作壓力P和式(1)初步確定，再根據實際情況進行微調，以使球體在關閉狀態時即使有微小的角度偏差，密封圈也可完全貼合球面，完成密封。確定球體直徑后，就可開始球體偏心距離的確定和閥座傾斜角度的計算，從這種結構形式可看出，球體偏心距離和閥座傾斜角度是相互關聯的，它們之間相互配合以實現球體的易拆裝功能，因此在實際設計中，需綜合起來考慮這兩個因素。

(1)

式中:r為球體半徑，mm；d為流道直徑，mm;bM為密封面寬度，mm。

為了使密封圈可以封住球體，需密封圈作用于球體的比壓大于必須密封比壓，而密封比壓的計算與閥門口徑D、介質壓力P、密封面寬度bM等有關，因此，在計算密封面比壓的過程中，已確定密封圈外徑、內徑等尺寸，即可確定圖5中的h尺寸。假設球體偏心距離為c，如圖5所示，可知b值可由式(2)計算出，要使球體可以裝入兩閥座之間，需令c值滿足式(3)的要求，此時在裝配過程中，球體按開啟狀態可較輕松裝入閥體，球體旋轉90°，閥門在關閉狀態下，球面可與密封面貼合到一起。

(2)

(3)

但此時所求c只是計算的一個范圍，根據這個范圍，可以初步確定一個c值。由于在實際加工中，會存在一定的偏差，很難滿足球體在關閉狀態下正好與閥座密封圈緊密貼合的條件。其次，即使是理想狀況下幾乎無加工、裝配誤差，但在閥門關閉后，若想達到足夠的密封效果，還需有初始密封力，以彌補在初始介質壓力很小的情況下密封比壓的不足。因此，需在前閥座上添加彈性蓄能元件，給與前閥座一定的預緊力，來提供密封起始所需的初始密封力。為了提供給閥座初始密封力，需給彈性蓄能元件一定的壓縮量，為了滿足在此種情況下球體還是可以較為輕松的裝入閥體，就需滿足式(4)的條件，此時球體在裝入閥體后，關閉時轉動球體，球體會擠壓閥座使彈性蓄能元件產生一定的壓縮，形成初始密封力，達到設計需要，實現密封。

(4)

由式(4)可得到a值的一個限制條件，此時根據需要確定a的尺寸，即確定了閥座的傾斜角度。

2.1.2 三維運動模擬

為了驗證球體偏心距離和閥座傾斜角度設計計算的可靠性，利用SolidWorks軟件模擬裝配球體過程，固定閥座，使球體豎直上下移動，虛擬裝配。如圖7所示，在模擬安裝球體過程中，即使球體和閥座的各尺寸滿足式(4)的要求，也不能完全無礙拆裝，有干涉現象產生，干涉發生于球體上半部分和閥座的上部分，圖8中可看出球體裝入過程的干涉變化，顯示出了最大干涉尺寸，可看出是在球體水平面上最大直徑處。干涉的產生是因為在設計的過程中只是分析了過閥座中心的一個豎直對稱平面上的各點之間的配合，僅是在二維分析，而未考慮到球體和閥座兩側之間的配合情況。

圖7 模擬裝配

圖8 干涉數據

在設計過程中，為了保證球閥的密封作用，彈性蓄能元件有一定的壓縮量，因此只要干涉的尺寸不超過彈性蓄能元件的壓縮極限，理論上都可以進行拆裝，不會產生較大影響。為了球體在拆裝過程中阻力較小，就需選擇的彈性蓄能元件有足夠的壓縮量，至少壓縮量要大于干涉尺寸。且壓縮后產生的預緊力可以滿足密封的要求，也不至于過大，以免增加球閥啟閉扭矩。

因此碟簧就不太滿足要求，碟簧只需較小的壓縮量就可產生較大的預緊力，在此不適用。可以選擇幾組彈簧來作為所需彈性蓄能元件，既有足夠的壓縮量，也可產生所需的預緊力。

3 中道密封的設計

中道密封一般使用金屬纏繞墊，金屬纏繞墊廣泛應用于超低溫閥門領域，其由金屬和各種填料交替纏繞而成，能耐超低溫、高壓等環境，通過改變墊片的材料組合，可以解決各種介質對墊片的腐蝕[3]。在液化天然氣超低溫閥門一般使用石墨金屬纏繞墊，石墨氣液難以滲透，適用范圍廣闊。當介質壓力不高時可以使用如圖9(a)、(b)密封結構，結構簡單，加工方便；當壓力較高時，可采用圖9(c)、(d)密封結構，采用八角環墊密封或榫槽面密封，墊片受力均勻，對中性好，只是加工較為復雜。

圖9 中道密封結構

介質壓力不高、無毒、無可燃性等的情況下，只需纏繞墊一道密封即可滿足要求；若介質壓力較高，且有毒、可燃等情況下，當只有一道密封時，如有意外狀況發生導致密封失效，就易產生危險，因此在這種情況下，一般采取兩道密封的方式，另一道密封采用唇形密封圈的形式密封，唇形密封圈的密封主要是通過介質壓力使唇邊產生變形，唇邊緊貼密封面來實現密封作用，介質壓力越高，唇邊與密封面之間貼合越緊密，密封效果越好，唇形密封圈中有金屬彈簧，可以提供初始密封力，滿足初始密封比壓要求，彌補磨耗損失。在液化天然氣行業中，超低溫閥門中道使用兩道密封更加的安全可靠。

4 閥桿密封結構

在超低溫閥門中，閥桿密封填料一般為聚四氟乙烯或石墨，但聚四氟乙烯的膨脹系數較大，冷流現象嚴重，較少使用在超低溫閥門中；石墨氣液難以滲透，廣泛使用于超低溫領域。

在液化天然氣行業中，為了使用安全，也會使用兩道密封結構，在填料密封之前加一道唇形圈密封，提高密封性能。

閥桿與填料配合位置，可以對閥桿進行氮化處理，提高其表面硬度和耐磨性，提升使用壽命。

圖10 閥桿密封結構

5 結 論

為了滿足飛快發展的液化天然氣行業需求，超低溫閥門需要不斷地優化結構，為行業發展提供便利。

(1)這種新型超低溫浮動球閥結構，對比了目前常見的一些浮動球閥形式，其不僅可以可靠的實現密封作用，還無需工裝即可方便拆裝，方便在線維護，且零部件簡單，加工輕松。

(2)這種新型超低溫浮動球閥的難點在于球體偏心距離和閥座傾斜角度的設計，需要根據一定的公式來進行計算，再結合初始密封力的需求，即可進行確定，后再用SolidWorks軟件進行裝配模擬，驗算其可靠性。

(3)中道密封和閥桿密封根據介質化學性質和壓力有不同選擇，在液化天然氣運輸中，中道一般使用兩道密封，一道密封使用唇形密封圈，另一道密封使用金屬纏繞墊實現；閥桿密封也采用兩道密封結構，一道為唇形密封圈，另一道為石墨填料。