自补偿式超低温球阀的设计

郭怀舟，吴怀昆，朱绍源，郝伟沙，高红彪，陈凤官，明友

（合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230088）

球阀以启闭迅速、密封可靠、结构简单、重量轻、流阻小等特点，目前在低温管道系统得到较广泛应用。用于工业低温管道的球阀，除少量一部分特殊用途、非典型结构的以外，大都为非金属软密封阀座结构，由于其运行工况恶劣，作用关键，因此密封要求高，性能考核严格，其低温性能试验是生产与使用过程中的一道关键工序。随着国内阀门行业技术的不断进步，国内阀门制造商逐渐开始具备生产超低温球阀的能力，但产品性能与国外产品相比还有一定的差距，这也是目前国内LNG接收站仍然以国外产品为主的重要原因之一。

1 低温环境下球阀密封失效的原因

超低温球阀低温试验中最经常出现的问题就是密封失效，产生泄漏。由于阀门的装配和密封预紧力的施加都是在常温下进行的，进入超低温环境后，由于材料自身特性，产生收缩变形，必然引起密封面应力变化。在超低温环境中，密封副不论是金属或非金属，都会发生低温收缩现象。对于一些由弹簧或螺栓等预紧元件施加的装配预紧力，由于装配过程都是在常温下进行的，阀门进入低温环境下，由于密封材料厚度方向和预紧元件长度方向的尺寸减小，都会造成装配预紧力松弛，带来密封比压下降。另外，不论金属还是非金属，在低温下，硬度都会有所提高，硬度越高，其表面的微观峰谷就越不易被压平，所需的密封必须比压qMF也就越大。

2 自补偿式超低温球阀主要结构的设计特点

低温阀门在进行主件设计时，遵循以下几项原则：①低温下的气密性能；②材料在低温下保持工作条件所需要的机械性能，特别是冲击韧性和相对延伸率；③符合低温介质防爆性的相容条件；④保证一系列零件所必须的热物理性能，其中包括热导率小；⑤保证在低温及摩擦零件无油润滑的情况下，具有必需的耐磨性；⑥保证低温阀的零件具有必需的耐蚀性。

顶装式结构设计，对焊连接，球阀带自卸压功能，用来释放阀腔内的异常高压，泄压方向朝介质入口端方向。阀门具有防静电结构、防火结构、自动补偿结构。延长的阀杆设计，保证了执行机构和填料可以在正常允许工作温度下工作，杜绝了因温度过低带来的阀门损坏和使用阻碍。用于深冷阀门的金属材料都需要经过深冷处理，以保证组织结构的稳定性。阀门结构如图1所示。

图1 阀门结构

2.1 阀座密封自动偿结构设计

阀门为上装式低温球阀，阀体的入口、出口流向通道与水平线设计为夹角存在，阀体与阀座圈接触的平面是一个与垂直面带夹角的斜平面，水平夹角与垂直夹角度数相同。阀座内衬在阀座圈上使得阀座与阀体、球体接触形成阀座密封。球体设计为V型球体，球体的流向通道中心与球体中心存在垂直方向上的偏心。球体上设计有一个泄压孔。弹簧座与阀杆通过螺纹联结，弹簧座与球体上平面之间设计一弹簧。该结构的特点是：当在常温下装配好阀门后，装配预紧力固定，在低温情况下，由于密封副的尺寸微收缩，会导致原先的装配预紧力松弛，密封比压下降，这时，预先压缩的弹簧会释放能量，将球体连同阀座和阀座圈向下推，使阀座圈与阀体斜平面、阀座与球体紧密接触，补偿预紧力松弛，增大密封比压，加强密封。同理，该结构也能补偿因密封副在使用过程中因磨损而发生的装配预紧力松弛现象。

2.2 强制补偿组件设计

阀盖下部设计一矩形开裆，当阀杆转动时，由于弹簧座无法在阀盖开档处转动，只能通过螺纹副沿着阀杆升降，挤压或放松弹簧。阀门关闭过程中，随着阀杆的转动，弹簧座顺着阀杆下移向下挤压弹簧，弹簧向下挤压球体、阀座、阀座圈，使球体、阀座、阀座圈顺着阀体的斜平面下滑楔紧而增强密封比压。另外，阀门开启过程中，随着阀杆的转动，弹簧放松，从而减少密封副的磨损，增强阀门的使用寿命。

阀杆与弹簧座通过螺纹副连接，此处螺纹应采用多头螺纹，增大导程，增加阀门关闭过程中的弹簧压缩量。

2.3 填料密封补偿结构设计

填料密封设计为多层次密封结构，具有动态自动补偿装配预紧力的功能，结构图如图2所示。

图2 多层次填料密封结构

多层次密封为三道密封，由下到上分别为由PTCFE制作的V型组合填料（2）、由硅氟橡胶制作的O型圈（4和5）、由石墨制作的填料环（6）。三道密封底部由弹簧（1）支撑，常温装配时预压缩弹簧，当填料由于低温或磨损发生预紧力松弛时，弹簧释放能量，顶紧填料，增大预紧力，补偿预紧力松弛。

2.4 防静电设计

低温球阀使用在诸如LNG等易燃易爆场合中，为了防止阀门启闭时产生静电，引燃介质，都需要防静电设计。一般在阀杆和球体，阀杆和阀体或阀盖之间设计导电弹簧。本阀门中的强制补偿组件，将阀盖、阀杆与球体互相连接，直接具有防静电功能，无需另外单独设计防静电结构。

2.5 防火设计

阀座圈设计有防火刃，当发生火灾后，非金属阀座由于高温烧毁后，组合阀座的厚度尺寸小，组合阀座在弹簧的推力下，顺着阀体的斜面下滑楔紧，阀座圈的防火刃与球体形成硬密封，有效组织介质扩散，防止火灾扩大。

3 低温试验验证

阀门样机规格NPS:2"，Class：300Lb，按照BS 6364标准要求进行低温性能试验。阀门浸泡在液氮中，液氮液面浸没阀盖，待阀内温度达到-196℃稳定后，以氦气为增压介质，增压至5MPa，保压300秒，阀后接酒精气泡计串联流量计观察并测量泄漏率，试验结果如图3所示。

图3 低温性能试验数据

4 结语

超低温球阀设计具有自动补偿装配预紧力的结构，不但能使阀门在低温环境下实时补偿因温度降低造成的装配预紧力松弛，还能补偿阀门因磨损造成的装配预紧力下降，增强密封副的密封比压，强化密封效果。

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