自補償式超低溫球閥的設(shè)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(jié)構(gòu)簡單、重量輕、流阻小等特點，目前在低溫管道系統(tǒng)得到較廣泛應(yīng)用。用于工業(yè)低溫管道的球閥，除少量一部分特殊用途、非典型結(jié)構(gòu)的以外，大都為非金屬軟密封閥座結(jié)構(gòu)，由于其運行工況惡劣，作用關(guān)鍵，因此密封要求高，性能考核嚴(yán)格，其低溫性能試驗是生產(chǎn)與使用過程中的一道關(guān)鍵工序。隨著國內(nèi)閥門行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國內(nèi)閥門制造商逐漸開始具備生產(chǎn)超低溫球閥的能力，但產(chǎn)品性能與國外產(chǎn)品相比還有一定的差距，這也是目前國內(nèi)LNG接收站仍然以國外產(chǎn)品為主的重要原因之一。

1 低溫環(huán)境下球閥密封失效的原因

超低溫球閥低溫試驗中最經(jīng)常出現(xiàn)的問題就是密封失效，產(chǎn)生泄漏。由于閥門的裝配和密封預(yù)緊力的施加都是在常溫下進(jìn)行的，進(jìn)入超低溫環(huán)境后，由于材料自身特性，產(chǎn)生收縮變形，必然引起密封面應(yīng)力變化。在超低溫環(huán)境中，密封副不論是金屬或非金屬，都會發(fā)生低溫收縮現(xiàn)象。對于一些由彈簧或螺栓等預(yù)緊元件施加的裝配預(yù)緊力，由于裝配過程都是在常溫下進(jìn)行的，閥門進(jìn)入低溫環(huán)境下，由于密封材料厚度方向和預(yù)緊元件長度方向的尺寸減小，都會造成裝配預(yù)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(jié)構(gòu)的設(shè)計特點

低溫閥門在進(jìn)行主件設(shè)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(zhì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計，對焊連接，球閥帶自卸壓功能，用來釋放閥腔內(nèi)的異常高壓，泄壓方向朝介質(zhì)入口端方向。閥門具有防靜電結(jié)構(gòu)、防火結(jié)構(gòu)、自動補償結(jié)構(gòu)。延長的閥桿設(shè)計，保證了執(zhí)行機構(gòu)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(jīng)過深冷處理，以保證組織結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。閥門結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 閥門結(jié)構(gòu)

2.1 閥座密封自動償結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shù)相同。閥座內(nèi)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(shè)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(shè)計有一個泄壓孔。彈簧座與閥桿通過螺紋聯(lián)結(jié)，彈簧座與球體上平面之間設(shè)計一彈簧。該結(jié)構(gòu)的特點是：當(dāng)在常溫下裝配好閥門后，裝配預(yù)緊力固定，在低溫情況下，由于密封副的尺寸微收縮，會導(dǎo)致原先的裝配預(yù)緊力松弛，密封比壓下降，這時，預(yù)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(yù)緊力松弛，增大密封比壓，加強密封。同理，該結(jié)構(gòu)也能補償因密封副在使用過程中因磨損而發(fā)生的裝配預(yù)緊力松弛現(xiàn)象。

2.2 強制補償組件設(shè)計

閥蓋下部設(shè)計一矩形開襠，當(dāng)閥桿轉(zhuǎn)動時，由于彈簧座無法在閥蓋開檔處轉(zhuǎn)動，只能通過螺紋副沿著閥桿升降，擠壓或放松彈簧。閥門關(guān)閉過程中，隨著閥桿的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)采用多頭螺紋，增大導(dǎo)程，增加閥門關(guān)閉過程中的彈簧壓縮量。

2.3 填料密封補償結(jié)構(gòu)設(shè)計

填料密封設(shè)計為多層次密封結(jié)構(gòu)，具有動態(tài)自動補償裝配預(yù)緊力的功能，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 多層次填料密封結(jié)構(gòu)

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(huán)（6）。三道密封底部由彈簧（1）支撐，常溫裝配時預(yù)壓縮彈簧，當(dāng)填料由于低溫或磨損發(fā)生預(yù)緊力松弛時，彈簧釋放能量，頂緊填料，增大預(yù)緊力，補償預(yù)緊力松弛。

2.4 防靜電設(shè)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(chǎn)生靜電，引燃介質(zhì)，都需要防靜電設(shè)計。一般在閥桿和球體，閥桿和閥體或閥蓋之間設(shè)計導(dǎo)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(shè)計防靜電結(jié)構(gòu)。

2.5 防火設(shè)計

閥座圈設(shè)計有防火刃，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)后，非金屬閥座由于高溫?zé)龤Ш螅M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(zhì)擴(kuò)散，防止火災(zāi)擴(kuò)大。

3 低溫試驗驗證

閥門樣機規(guī)格NPS:2"，Class：300Lb，按照BS 6364標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)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(nèi)溫度達(dá)到-196℃穩(wěn)定后，以氦氣為增壓介質(zhì)，增壓至5MPa，保壓300秒，閥后接酒精氣泡計串聯(lián)流量計觀察并測量泄漏率，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 低溫性能試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

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

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