超低溫上裝式V 型控制閥結(jié)構(gòu)及密封比壓計(jì)算

李華祖，韓龍生，杜雨，章文忠，胡開平

（湖北泰和石化設(shè)備有限公司，湖北 秭歸 443600）

V 型球閥，調(diào)節(jié)性能是球閥中最佳的，流量特性是等百分比，可調(diào)比達(dá)100∶1，在進(jìn)行調(diào)節(jié)應(yīng)用時(shí)，控制非常準(zhǔn)確，體積小，重量輕，流阻小，流量系數(shù)大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能好。隨著液化天然氣（LNG）的廣泛應(yīng)用，越來越多的V 型控制閥被投入使用，而在超低溫工況應(yīng)用時(shí)，主要采用上裝式結(jié)構(gòu)，對(duì)焊連接，其結(jié)構(gòu)形式、密封能力、使用壽命尤其重 要。

1 超低溫上裝式V型控制閥密封結(jié)構(gòu)

V 型球閥典型結(jié)構(gòu)：固定球，球體有V 形通道口，單閥座彈簧預(yù)緊，球體旋轉(zhuǎn)，開口的面積不斷發(fā)生變化，起到調(diào)節(jié)作用；對(duì)于口徑DN 50 及以上采用固定球閥結(jié)構(gòu)，小口徑如DN 15，DN 20 等采用浮動(dòng)式。

1.1 固定球密封結(jié)構(gòu)

超低溫上裝式V 型球閥，閥座采雙活塞效應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙向密封[1]結(jié)構(gòu)如圖1 所示，閥體上裝式結(jié)構(gòu)減少了管道系統(tǒng)泄漏點(diǎn)要求，又滿足了閥門在線維修的要求，閥座與球體密封為軟密封防火結(jié)構(gòu)，閥座通過Lip-seal 密封圈實(shí)現(xiàn)，其原理通過面積差來實(shí)現(xiàn)雙向密封，密封效果好，無中腔壓力無需泄壓功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單使用安全。

圖1 超低溫固定球上裝式V 型球閥結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the cryogenic fixed ball top mounted V-shaped ball valve

在線維修功能主要在于，閥座前端有徑向螺紋，通過調(diào)節(jié)螺母旋合調(diào)節(jié)閥座移位，其調(diào)節(jié)螺母后端有碟簧預(yù)緊，低溫收縮補(bǔ)償，確保了低溫下的密封性能。

1.2 浮動(dòng)球密封結(jié)構(gòu)

超低溫上裝式V 型浮動(dòng)球閥，主要用于小口徑。小口徑上裝式主要流道直徑小，加工困難，其浮動(dòng)V型球閥加工簡(jiǎn)單，密封效果好，成本低等特點(diǎn)。 圖2 所示，活動(dòng)閥座便于在線維修更換，閥前有調(diào)節(jié)螺母通過旋合進(jìn)行預(yù)緊，碟簧提供預(yù)緊力和低溫收縮補(bǔ)償，球體開V 型通孔，后閥座于閥體密封可采用PCTFE，也可以通過Lip-seal 密封圈實(shí)現(xiàn)。

圖2 超低溫浮動(dòng)球上裝式V 型球閥結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the cryogenic floating ball top mounted V-shaped ball valve

2 閥座鑲嵌PCTFE

其超低溫V 型球閥密封面一般采用的PCTFE，由于PCTFE 在低溫下易收縮并變硬，不耐沖刷，因而存在密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一問題，密封圈需牢固地鑲嵌在金屬閥座上。

2.1 鑲嵌過盈量確定

鑲嵌首先要確定合適的過盈量，基本要求是使用時(shí)必須滿足鑲嵌面的傳動(dòng)和密封功能，過盈量有一個(gè)最小值。關(guān)于最小值，計(jì)算傳動(dòng)需要的轉(zhuǎn)矩非常麻煩，而且影響因素很復(fù)雜，很難得出準(zhǔn)確結(jié)果，所以通過實(shí)驗(yàn)來確定鑲嵌密封環(huán)的最小過盈量，實(shí)踐表明，鑲嵌密封環(huán)的最小過盈量不小于環(huán)直徑的0.2%。常溫、低溫鑲嵌再加上低溫收縮比，就能可靠地保證鑲嵌密封環(huán)的傳動(dòng)和密封性能。

鑲嵌最大變形量受材料強(qiáng)度的限制。當(dāng)把環(huán)座和密封環(huán)都看作薄壁圓筒時(shí)，鑲嵌時(shí)環(huán)座和密封環(huán)承受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別可以視為均勻一致的，這樣的話計(jì)算得以大大簡(jiǎn)化，當(dāng)需要更為精確的計(jì)算時(shí)，應(yīng)該采用厚壁圓簡(jiǎn)計(jì)算[2]。

鑲嵌變形量需考慮溫度的影響，鑲嵌密封環(huán)和閥座的材質(zhì)不同，各自有不同的線脹系數(shù)，常溫下的過盈量，在溫度變化后，必將發(fā)生變化。超低溫閥鑲嵌先確定過盈量+低溫收縮量，低溫收縮量可以根據(jù)材料的線脹系數(shù)進(jìn)行有限元分析，再進(jìn)行低溫處理試驗(yàn)修正，需要注意的是閥座材料一般采用F304、密封圈材料PCTFE 兩種材料在低溫環(huán)境中收縮性能不一樣，在有限元分析和低溫試驗(yàn)修正時(shí)，需分別進(jìn)行低溫收縮計(jì)算。

根據(jù)以上三個(gè)因素，來確定好最終過盈量，低溫環(huán)境下鑲?cè)搿?/p>

2.2 鑲嵌工藝結(jié)構(gòu)及方法

閥座鑲嵌PCTFE 需考慮密封性能，閥門在半開調(diào)節(jié)流量時(shí)，使閥座的一部分失去支撐，確保鑲嵌的PCTFE 在介質(zhì)的作用下不產(chǎn)生彎曲變形，松弛等。還需保證閥門其防火結(jié)構(gòu)。

具體步驟是閥座先按照過盈配合尺寸加工凹槽，邊口倒角防止刮傷PCTFE。環(huán)形PCTFE 按計(jì)算的最終過盈尺寸加工，高度要高于凹槽深度的1 mm，外圈加工排氣溝如圖3 所示。

圖3 密封圈PCTFEFig.3 Sealing ring PCTFE

工件放入液氮池內(nèi)冷處理，冷處理時(shí)間約1 小時(shí)，可根據(jù)工件的厚度以及熱傳遞速度計(jì)算時(shí)間。取出工件快速鑲嵌，壓入PCTFE 時(shí)，需保證周圈應(yīng)力均勻，通常采用壓機(jī)壓入其受力均勻，在鑲嵌時(shí)做好防護(hù)工作防止凍傷。完成鑲嵌后再加工成型如圖4 所示。

圖4 鑲嵌加工圖Fig.4 Mosaic processing drawing

密封環(huán)的截面總體上保持軸向長(zhǎng)度不低于徑向厚度的1.2 倍是合適的，好比一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的直的長(zhǎng)方體，沿軸向施加很高的壓力，最終長(zhǎng)方體會(huì)沿窄邊彎曲，此即所謂的“失穩(wěn)” 現(xiàn)象。同樣的道理，很高的周向壓應(yīng)力，密封環(huán)如果長(zhǎng)度不變而徑向厚度越大，在周向壓應(yīng)力作用下密封環(huán)徑向方向壓緊環(huán)座，而軸向的某一點(diǎn)向外彎曲“失穩(wěn)”的趨勢(shì)就將增大，導(dǎo)致端面產(chǎn)生所謂的波度變形，造成密封失效。

3 超低溫上裝式V型控制閥密封比壓

3.1 超低溫浮動(dòng)V型球閥密封比壓

超低溫浮動(dòng)V 型球閥一般是靠出口端閥座來保證密封，而上裝式需要可在線更換閥座，閥座需活動(dòng)設(shè)計(jì)便于更換。在密封面寬度相同的條件下，閥座與球體的密封力為球面接觸計(jì)算預(yù)緊力按法向力計(jì)算，在此結(jié)構(gòu)中閥座背面與閥體的密封圈尤為關(guān)鍵。

3.1.1 閥座與閥體密封比壓

閥門關(guān)閉時(shí)，閥座與閥體密封力的計(jì)算，需要達(dá)到密封效果，其計(jì)算密封比壓必須大于密封面必須比壓。如圖5 上裝式浮動(dòng)V 型球閥密封圈受力圖。

圖5 浮動(dòng)V 型球閥閥座與閥體密封受力圖Fig.5 The sealing pressure diagram for the seat and body of the floating V-ball valve

p——介質(zhì)壓力，MPa。

3.1.2 球體與出口端閥座密封比壓

閥座與球體的密封面總作用力按式（1）計(jì)算，需注意球體對(duì)出口端閥座密封面的是法向力，如圖6所 示。

圖6 浮動(dòng)V 型球閥球體與閥座密封圈受力圖Fig.6 The sealing pressure diagram for the ball and the seat of the floating V ball valve

式中R——球體半徑，mm；

L1——球體中心至密封面內(nèi)徑距離，mm；

L2——球體中心至密封面外徑距離，mm。

3.1.3 彈簧預(yù)緊力的計(jì)算

浮動(dòng)V 型球閥在介質(zhì)壓力作用下，球體能沿球心軸線產(chǎn)生一定的位移并緊壓在出口端的閥座密封圈上，保證出口端密封，其彈簧預(yù)緊力為了保證低壓時(shí)的密封性，彈簧預(yù)緊力需大于低壓時(shí)閥座密封圈必須預(yù)緊力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)考慮彈簧材料偏差及安裝偏差，彈簧預(yù)緊力大于必須預(yù)緊力的1.1 倍，低壓壓力一般采用0.2 ～ 0.6 MPa，低壓計(jì)算壓力和必須密封比壓都按低壓計(jì)算驗(yàn)證。

最小彈簧力計(jì)算：

式中FMY——低壓時(shí)密封圈必須預(yù)緊力，N。

浮動(dòng)V 型球閥的使用壽命在很大程度上取決于正確選擇彈簧預(yù)緊力，過量壓縮會(huì)導(dǎo)致球體與閥座間的摩擦力矩增加，并可能引起閥座密封材料的塑性變形[5]。所以需要計(jì)算球體最大彈簧力，便于進(jìn)行預(yù)緊彈簧選型。

最大彈簧力計(jì)算：

FTMAX≤cos·AMH·[q] -FMJ（9）

式中 [q]——密封面材料的許用比壓，MPa。

3.2 超低溫固定V型球閥密封比壓

固定V 型球閥特點(diǎn)在于活塞套筒密封直徑DHW小于閥座密封面的平均直徑，能實(shí)現(xiàn)雙向密封，需要計(jì)算雙向密封比壓，來確定閥門是否能實(shí)現(xiàn)密封，如圖7 所示。

圖7 固定V 型球閥雙向密封受力圖Fig.7 The pressure diagram for the bidirectional sealing of the fixed V-ball valve

閥座對(duì)球體的壓力：

固定V 型球閥密封為雙向密封結(jié)構(gòu)，反向受力時(shí)，介質(zhì)經(jīng)活塞套筒外徑壓在球體上的面積差大于介質(zhì)經(jīng)閥座反向壓在球體的面積差，彈簧預(yù)緊力已知，需要計(jì)算反向密封時(shí)比壓是否會(huì)超出許用比壓。

反向閥座對(duì)球體的壓力：

[q]——密封面材料的許用比壓，MPa。

根據(jù)上述的公式，閥座反向密封時(shí)密封面受到的比壓大，在選用彈簧時(shí)考慮反向密封時(shí)的比壓，選擇彈簧過重會(huì)導(dǎo)致密封面損傷及密封失效。

在設(shè)計(jì)過程中，保證很好的密封性能，避免密封材料引起過大的變形，為此，必須保證：

式中qMF——保證密封所需的比壓，MPa；

q——實(shí)際工作比壓，MPa；

[q]——密封面材料的許用比壓，MPa。

4 結(jié)束語

超低溫V 型球閥，需滿足市場(chǎng)需求按上裝式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，考慮結(jié)構(gòu)的可行性，包括大口徑固定形式和小口徑浮動(dòng)形式，以及核心部件的工藝方法，加工可行性。確保在低溫工況中很好的密封性能，尤其是上裝式結(jié)構(gòu)不能按照典型結(jié)構(gòu)計(jì)算密封比壓，需根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行受力分析考慮超低溫工況的情況下進(jìn)行密封比壓計(jì)算，以確保密封可靠，密封面使用壽命長(zhǎng)。