超低溫球閥的優化設計

劉幫強

（廣東省中山市南朗鎮南朗工業區 哈帝（中山）閥業有限公司 528451）

摘 要：作為流體介質存儲及運輸設備的關鍵部件，超低溫球閥展現出了優異的性能，具有極佳的應用前景。本文從材料和結構方面分析了球閥各個部件的性能特點，闡述了相關設計思路，并討論了其必要性。最后針對傳統球閥的缺點提出了球桿一體化的設計方法，優化了超低溫球閥的性能。

關鍵詞：超低溫球閥；結構；優化設計；球桿一體化

引言

隨著石化行業的不斷發展，易燃易爆及低溫介質的存儲和運輸越來越大型化，對流體控制閥門的性能要求也越來越高。超低溫球閥因其結構和材料的特殊性，具有許多優點，如阻力小、密封可靠、噪聲小等，從而引起了科研工作者的廣泛關注，為超低溫工況下閥門的研究開辟了新的道路。那麗[1]等從實際應用出發，總結了不同結構的超低溫球閥的設計特點和密封要求，為新型超低溫球閥的優化設計指明了方向。王新建[2]等根據設計準則，闡述了超低溫球閥各個密封模塊的相互關系，為相關研究提供了理論支持。

本文通過優化設計，分析了球閥各個部件的材料和結構的選擇，總結了設計要點，最后針對傳統球閥的缺點，提出了球桿一體化的新型超低溫球閥的設計方法，提高了使用性能。

1. 超低溫球閥結構設計

球閥的開關閥門為帶有圓形通道的球體，環繞垂直于通道的中軸線轉動，從而達到控制通道開關和介質流量的目的。球體處于固定狀態，在有壓力作用時不產生位移。完整的球閥通常由閥體、閥蓋、滴水板、支架、閥桿以及驅動裝置等部件組成[3]，如圖1所示為全通徑結構的球閥示意圖。本設計閥體采用一體式結構，和二片式以及三片式相比較，降低了球閥的泄漏點，下面將詳細介紹各部件的結構設計特點。

1.1 閥蓋設計

設計閥蓋必須要考慮閥腔內流體的溫度，故采用加長閥蓋結構，使填料安裝位置和閥門控制裝置遠離低溫區，一方面保證閥門的填料工作在可接受的溫度范圍，減小了低溫霜凍對填料的影響，有利于閥桿及其他部件的正常運行。另一方面避免了低溫介質對球閥操作者的冷灼傷。此外，加長閥蓋結構在緊固螺栓時不用破壞保護層，節約了使用成本。加長閥長度設計受材料的導熱、散熱面積和系數等因素影響，通常根據美國MSS SP-134標準選擇加長閥的長度[4]。

通常在加長閥蓋上會設置滴水板，以避免外界的冷凝水進入保溫層，造成螺栓生銹等。同時，滴水板所在位置表示了保溫介質對球閥保溫的最高位置。

1.2 泄壓部件及密封結構設計

一些介質在高溫汽化后，體積會膨脹，若此時閥門關閉，則腔體內壓力會急劇升高，不僅會破壞球閥各個部件的功能，還會造成閥門失效，影響整個輸送線的正常運行。因此，一定要在閥門端口處安裝泄壓部件。通常泄壓部件的設計采用泄壓孔形式，確保腔體和管道端口的正常連通。密封結構決定了整個閥門的質量優劣，是整個球閥的核心部分，一般包含閥桿密封和閥座密封兩個部件。閥桿密封要滿足易維護、低泄漏的特性，通常根據具體應用設計二道或多道密封，滿足ISO15848-2的B級密封標準，還可以根據實際應用選擇ISO15848-1的C01級標準，可以有效減少水滴滲入到柔性填料內，造成器件損傷。在超低溫工況下，閥座密封主要運用唇式密封圈，其精度較高，且對相關零件的性能要求也較為嚴格，密封效果良好。根據泄壓需要，上游閥座通常采用單向密封圈，而下游閥座通常采用雙向密封圈，應用最多的密封圈材料為聚三氟氯乙烯（PCTFE），其擁有極佳的超低溫特增性，其性能參數如表2所示[5]。其次，增加柔性材料填充、增多密封圈數量同樣會改善球閥的密封性能。

1.3 防火及防靜電結構設計

當溫度、壓力等因素急劇變化時，可能會發生介質泄漏從而引發火災，所以球閥設計必須有防火結構。常用的防火設計是在閥蓋和閥體連接處設置密封結構，采用柔性介質纏繞墊片和唇式密封圈的雙通道設計，閥桿位置的密封也采用柔性介質填充和密封圈等多種結構共同作用。此種防火設計的最大特點是可以避免密封結構的融化失效問題。另外，還有采用非金屬密封墊和金屬閥座相結合的兩重防火設計，這種結構可以防止輸送介質內漏造成閥門損壞，但是使用成本相對較高。由于超低溫球閥的特殊性，防火設計應該執行API6FA或者API607防火安全標準[6]。

此外，應用于超低溫球閥的PCTFE材料具有較強的靜電聚集效應，極易產生靜電火花，而超低溫輸送介質多數為易燃易爆品，所以設計防靜電結構非常有必要。通常在和閥桿接觸的位置都要放置彈簧和鋼球，以防止球體上靜電的產生，確保12V直流電壓下，閥蓋和閥桿、閥蓋和球體間的電阻都不能大于10Ω。還有采用類似避雷針的方式引導靜電傳輸，同樣可以防止靜電效應。

1.4 驅動結構設計

當閥桿和垂線成30o角時，能夠實現閥門的正常運轉。為了在全開以及全畢狀態下實現超低溫球閥的自由鎖定，齒輪驅動以及執行器等手動球閥裝置都應該設置鎖定器。執行機構不僅可以在惡劣條件下維持操作，還可以實現在線維修、更換等操作，為超低溫球閥的可持續利用提供了便捷。

2. 閥桿與閥體一體化設計

傳統球閥的閥桿和球體是兩個獨立的部件，雖然采用各種密封技術不斷優化，但因應力分布不均，很難實現接口的完美銜接，而且會出現硬化層的脫落。針對這一缺陷設計了球桿一體化球閥，即通過相關工藝使閥桿和球體焊接成一個整體，并在焊接處噴焊Ni60，提高表面耐磨性和耐蝕性。該設計對材料也有要求，通常閥桿選擇17-4PH不銹鋼，該材料抗腐蝕性強并且衰減性能優異，熱處理后具有較高的硬度。球體一般選用F304不銹鋼，防銹性能好，耐高溫，具有非常強的抗腐蝕性能。一體化球閥避免了閥桿沖出體外的狀況，提高了閥門的可靠性和安全性，且不宜失效，是一個重要的研究方向。

3. 結束語

為了滿足液化介質不斷擴大的輸運需要，超低溫球閥的性能結構也在不斷的優化。本文分析了超低溫球閥各個部件的結構設計特點，討論了相關部件的材料選擇和執行標準，總結了傳統球閥的缺點，并設計了閥桿、球體一體化的超低溫球閥，優化了球閥的性能。

參考文獻：

[1]那麗，呂赟. 超低溫球閥的結構設計特點及安裝要求[J]. 煤化工，2013，（02）：65-67.

[2]王建新，張清雙. 超低溫球閥密封要素的分析[J]. 閥門，2016，（04）：18-20.