自補(bǔ)償式超低溫球閥的設(shè)計(jì)

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(jī)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(jiǎn)單、重量輕、流阻小等特點(diǎn)，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(yùn)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(yàn)是生產(chǎn)與使用過(guò)程中的一道關(guān)鍵工序。隨著國(guó)內(nèi)閥門行業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)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(guó)外產(chǎn)品相比還有一定的差距，這也是目前國(guó)內(nèi)LNG接收站仍然以國(guó)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(yàn)中最經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)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(huì)發(fā)生低溫收縮現(xiàn)象。對(duì)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(guò)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(zhǎng)度方向的尺寸減小，都會(huì)造成裝配預(yù)緊力松弛，帶來(lái)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(huì)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(bǔ)償式超低溫球閥主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

低溫閥門在進(jìn)行主件設(shè)計(jì)時(shí)，遵循以下幾項(xiàng)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(jī)械性能，特別是沖擊韌性和相對(duì)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??；⑤保證在低溫及摩擦零件無(wú)油潤(rùn)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(jì)，對(duì)焊連接，球閥帶自卸壓功能，用來(lái)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(dòng)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。延長(zhǎng)的閥桿設(shè)計(jì)，保證了執(zhí)行機(jī)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(guò)低帶來(lái)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(guò)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(dòng)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jì)為夾角存在，閥體與閥座圈接觸的平面是一個(gè)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(jì)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(jì)有一個(gè)泄壓孔。彈簧座與閥桿通過(guò)螺紋聯(lián)結(jié)，彈簧座與球體上平面之間設(shè)計(jì)一彈簧。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致原先的裝配預(yù)緊力松弛，密封比壓下降，這時(shí)，預(yù)先壓縮的彈簧會(huì)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(bǔ)償預(yù)緊力松弛，增大密封比壓，加強(qiáng)密封。同理，該結(jié)構(gòu)也能補(bǔ)償因密封副在使用過(guò)程中因磨損而發(fā)生的裝配預(yù)緊力松弛現(xiàn)象。

2.2 強(qiáng)制補(bǔ)償組件設(shè)計(jì)

閥蓋下部設(shè)計(jì)一矩形開襠，當(dāng)閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于彈簧座無(wú)法在閥蓋開檔處轉(zhuǎn)動(dòng)，只能通過(guò)螺紋副沿著閥桿升降，擠壓或放松彈簧。閥門關(guān)閉過(guò)程中，隨著閥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(qiáng)密封比壓。另外，閥門開啟過(guò)程中，隨著閥桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧放松，從而減少密封副的磨損，增強(qiáng)閥門的使用壽命。

閥桿與彈簧座通過(guò)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(guò)程中的彈簧壓縮量。

2.3 填料密封補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

填料密封設(shè)計(jì)為多層次密封結(jié)構(gòu)，具有動(dòng)態(tài)自動(dòng)補(bǔ)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(shí)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(shí)，彈簧釋放能量，頂緊填料，增大預(yù)緊力，補(bǔ)償預(yù)緊力松弛。

2.4 防靜電設(shè)計(jì)

低溫球閥使用在諸如LNG等易燃易爆場(chǎng)合中，為了防止閥門啟閉時(shí)產(chǎn)生靜電，引燃介質(zhì)，都需要防靜電設(shè)計(jì)。一般在閥桿和球體，閥桿和閥體或閥蓋之間設(shè)計(jì)導(dǎo)電彈簧。本閥門中的強(qiáng)制補(bǔ)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(wú)需另外單獨(dú)設(shè)計(jì)防靜電結(jié)構(gòu)。

2.5 防火設(shè)計(jì)

閥座圈設(shè)計(jì)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?，組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(yàn)驗(yàn)證

閥門樣機(jī)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(yàn)。閥門浸泡在液氮中，液氮液面浸沒(méi)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(jì)串聯(lián)流量計(jì)觀察并測(cè)量泄漏率，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 低溫性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

超低溫球閥設(shè)計(jì)具有自動(dòng)補(bǔ)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(shí)時(shí)補(bǔ)償因溫度降低造成的裝配預(yù)緊力松弛，還能補(bǔ)償閥門因磨損造成的裝配預(yù)緊力下降，增強(qiáng)密封副的密封比壓，強(qiáng)化密封效果。

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