超低温阀门的结构优化设计

吕延彬 郭睿

摘 要：随着超低温流体介质应用范围的不断扩大，其生产制造、储存及运输设备也得到了快速发展，其中超低温阀门既是这些设备中关键的结构部件，对整个加工或运输系统都起到至关重要的作用。文章是针对液化天然气运输设备中超低温阀门进行优化设计，首先讨论超低温阀门的材料选择，其次对阀门的各个子元素结构进行分析研究，讨论其必要性，并针对介质特性对超低温阀门中关键结构进行优化设计。

关键词：超低温阀门；优化设计；结构分析；液化天然气

引言

随着我国经济与工业的快速发展，液化天然气也逐渐成为人们生活中必备的能源物质，它具有一定的清洁性与低温性。目前，液化天然气使用率正在以大幅度增长趋势而不断增加，在全球市场上也是增长速度最快的能源之一。液化天然气具有易燃、易爆与易汽化等特点，因此研究液化天然气的运输、存储以及控制设备，对于确保液化天然气的稳定供给，以及提高整个设备的操作与运输安全都具有十分重要的实际意义。由于阀门是流体输送系统中的主要控制部件，具有导流、截止、调节、稳压、分流且防止逆流或溢流泄压等作用，文章既是针对液化天然气运输设备中的关键结构，即超低温阀门进行优化设计，讨论超低温阀门的材料选择，并对阀门的各个子元素结构进行分析研究，討论其必要性，并提出部分设计要点。

1 超低温阀门的材料选择

超低温阀门的设计首要即是针对材料的选择，纵观阀门发展的历程，用于制作阀门的材料是多种多样的，主要包括：黄铜、锻钢、不锈钢、铸钢、铸铁等[1]。由于液化天然气是一种不同于常规流体的一种特殊的低温流体，阀门的材料必须要适应低温工作环境，同时还需考虑液化天然气的特性，使材料能够很好地引导低温流体介质。其次是针对阀门密封结构的设计，因阀门的工作环境温度不稳定，具有一定的变化幅度，从而极易使导致阀门元件受损且产生控制误差，因此为了实现有效误差补偿，密封结构可设计成柔性。同时对于阀门材料必须要进行深冷处理，以稳定材料的金相组织，消除可能存在的低温变形[2]，使材料在服役过程中，不会出现突然的失效。由于液化天然气的低温可达到-165℃，而常见的金属材料在很低的温度下其强度和韧性均可能会有所变化，因此当阀门控制的介质温度低于-70℃时，一般使用非金属密封副材料，而目前国内的低温球阀主要采用PCTFE材料作为软密封阀座材料。

2 超低温阀门的结构设计

2.1 阀盖结构设计

阀盖如同一个建筑的屋顶，对于阀盖的设计尤为重要。首先需要考虑阀腔内介质的温度，对于液化天然气而言，其温度可低至-165℃，而阀门填充材料的使用温度却高于零度，因此在设计超低温阀门阀盖时，需要采取长颈阀盖结构，使阀门填充材料尽可能远离阀体中介质，避免了阀杆以及阀盖上部件在低温环境中冻结的可能，从而保证阀门的正常运行。

2.2 滴水板结构设计

由于阀门内传递是低温介质，为了避免或减少介质温度向阀杆及其上端的填充材料传递，防止这些材料因冻结而失效，可在阀门中增加滴水板结构。一些研究机构对这种带有滴水板结构的阀门进行了实验验证，并证明了带有滴水板的阀门阀盖上端温度较高。由于延长阀盖上部的温度较低，通常情况下阀门暴露在空气中，空气中的水蒸气遇到低温阀盖会液化成水珠，滴水板的直径超过中法兰直径，可以防止低温液化的水蒸气滴落在中法兰螺栓上，避免螺栓锈烛影响在线维修。

2.3 泄压部件的结构设计

一些低温介质在汽化后其体积会升高，例如，液化天然气汽化后的体积为液态时的六百多倍，当阀门为闭合状态且周围环境温度相对较高时，阀体内的低温介质吸收环境中热量而逐渐汽化，其体积迅速上升，从而导致阀门内压力增加。其结果不仅破坏阀门内元件及阀座等部件，甚至使阀门工作失效。因此在阀门入口端必须要设计泄压结构，一般设计为泄压孔形式，以保证腔体和入口管道的连通防止腔体异常升压。

2.4 防静电结构设计

到目前为止，国内的低温球阀仍主要采用PCTFE材料作为软密封阀座材料，然而这种材料具有静电聚集效应，且液化天然气又具有易燃易爆等特点，从而极易导致静电火花的产生，其后果不堪设想，因此对于防静电结构的设计是十分必要的。而对于防静电结构以一种类似避雷针的引导电流方式设计为导通装置，将阀杆与阀体导通，从而将静电导出以消除安全隐患，保证整个系统的供应安全。

2.5 密封结构设计

密封结构设计是整个阀门的关键部分，在低温介质状况下，仅仅采用填充材料的方式实现阀门密封的效果较差，还需要考虑密封的结构及其材料。一般而言，首先需要考虑填充材料，除了上述材料外，还可增加柔性石墨填料，此外还需增加不同结构与层数的密封圈；其次采用碟簧组预紧式结构，以补偿环境温度与介质温度的变化及其传递温度变化时导致的螺栓变形量，同时减少在长时间工作环境下填料及密封元件的损耗。

2.6 防火结构设计（如图1所示）

图1 阀体阀盖双道密封结构

防火结构的设计主要是针对因温度剧烈变化而导致的介质泄露问题而进行的。如图1所示，阀体和阀盖连接部位采用唇式密封圈和石墨缠绕垫片的双道密封结构，阀杆密封部位也采用唇式密封圈、石墨填料组和O形圈多重密封结构[3]。这种防火结构在火灾发生时，可以使用阀体中腔中的石墨缠绕垫片以及石墨填料组织进行介质密封，避免了密封圈因熔化失效而导致的低温流体泄露问题。此外有些阀体的防火结构采用了金属阀座与非金属密封环的双重密封防火结构，这种情况可以在第一道非金属密封环因溶化而失效的情况下，其第二道防火密封的金属阀座在弹簧预紧力作用下，将阀座推向球体而阻断管线流体防止内漏。

3 超低温阀门的阀杆组合设计

由于介质的超低温特性，阀杆的组合设计应具有弹簧蓄能圈、密封垫片、止退垫片、中间阀杆填料、填料压套、填料压板以及碟形弹簧等部件。其中弹簧蓄能密封圈的作用是当阀腔内低温介质遇热汽化而升高压力时，该密封圈可在压力作用下紧贴密封沟槽，防止泄露；中间的一些部件为防爆部件，即当腔内压力较高时，可形成保护层，避免阀杆在高压作用下被冲出；对于碟型弹簧部件而言，其主要形成预紧式压紧填料，补偿因温度变化而导致的密封件松弛。

与此同时，阀门的设计还需考虑环境的影响，例如环境温度较高时，直接影响到阀门中材料的选择、阀杆的长度以及中间填充的辅助部件等。因为较高的环境温度容易与低温介质对流，即使中间有物质阻隔，也容易导致温度传递，产生热交换，而这种情况会导致很多关于阀门可靠性问题的产生。因此针对特殊的环境，设计不同的超低温阀门结构与材料，以应对各种环境下超低温介质运输或存储的稳定，同时保证整个系统的安全。

总而言之，超低温阀门的应用随着液化天然气消费量的增加而逐渐扩大，文章既是对液化天然气运输设备中的超低温阀门进行了优化设计，讨论了超低温阀门的材料选择，分析研究了阀门的各个子元素结构，讨论了设计的必要性，并针对介质特性提出了阀门中关键部分的结构设计。

参考文献

[1]史淼直.液化天然气用超低温阀门[J].阀门，2012（2）：24-26.

[2]孙奇，肖箭，邓德伟.液化天然气用超低温阀门的设计与研究[J].阀门，2013（1）：6-11.

[3]吴堂荣，唐勇，孙晔，等.LNG船用超低温阀门设计研究[J].船舶工程，2010，32：73-78.