LNG低温深冷球阀设计选型

 LNG低温深冷球阀设计选型

LNG 主要成分为甲烷、乙烷、丙烷以及少量氮气，它是一种无色、无味和无腐蚀性的低温液体，密度比空气小，安全性比较高，燃烧后二氧化硫和粉尘排放量几乎为零，因此作为一种清洁能源被广泛使用。由于它分子量小、黏度低、渗透性强等性质，易于泄漏和扩散，因此在 LNG 的生产、运输以及接收过程中，用于切断、止回和调节的阀门对系统的安全可靠运行具有至关重要的作用。目前，用于 LNG 关键设备中关断的阀门有闸阀、截止阀、蝶阀和球阀四类 。由于球阀的结构简单、可靠性高、寿命长而且开关迅速，尤其是相比于其他类型的阀门具有流动阻力小的优点，因此被广泛应用  。由于 LNG 的球阀在低温环境下工作，对其密封性能有较高的要求 。球阀密封性能是决定其质量优劣的重要指标，因此对低温球阀密封结构研究一直是本领域的重点和热点。本文总结了目前应用于 LNG 低温球阀不同类型的密封结构，分析了每种结构的特点，并提出了优化改进的建议。

LNG用球阀不同密封结构
    低温球阀的主要结构有阀座组件、阀体、球体和阀杆组件等。球阀中的密封结构主要包含三个部分 ：阀杆填料处的密封，阀体连接处的密封以及阀体内部阀座与球体之间的密封。这几处的密封性能好坏在一定程度上决定了球阀能否正常工作，只有在同时保证其密封良好的状态下，才能实现球阀的正常工作  。目前，按照密封结构形式的不同，LNG低温球阀主要有浮动式、固定式和轨道式。

1.LNG低温深冷球阀设计选型浮动式球阀密封结构
    浮动式球阀的球体被两阀座夹持其中呈“浮动”状态。当球阀关闭时，在流动介质的作用下，使球体紧紧压在出口端的阀座密封圈上，从而保证阀门密封 [7] 。
    曹平福等人 [8-9] 提出在超低温浮动球阀中，阀杆填料函部位的密封通过阀杆填料加唇形密封圈的方式来进行双重密封，首先利用放置在阀杆填料底部唇形密封圈形成的密封副达到初级密封 ；再利用压紧的阀杆填料形成第二重密封，压紧填料的螺栓处放置的碟形弹簧能够提供持续的预紧力。而球体与阀座之间是在流体介质力的作用下，使球体紧贴出口端的阀座密封面，确保了球体与阀座之间的密封。入口端密封面采用碟形弹簧预紧式密封结构，用蝶形弹簧来保证球体对出口端密封面的压紧作用。图 1 为其密封部位的结构形式。

浮动式球阀主要密封部位结构形式

    浮动式球阀主要应用于口径较小和压力较低的工作条件下，而它大部分采用上述这种弹性密封结构，这种密封结构的好处是依靠较大的预紧力使得密封更加可靠，同时球阀较小的开启扭矩有效地减少了球体的磨损，但是如果用硬密封材料制作的弹簧作为补偿，容易产生磨损导致维修成本高，这可以通过采用碟形弹簧加软密封圈的软硬组合式密封的方法来改善，即在阀体与阀座之间加密封圈来保证阀门关闭时在介质力的作用下阀芯与阀座的密封，减小阀芯的位移。下游密封座处仅依靠介质压力不能完全保证其密封的可靠性，同时由于介质压力对下游阀座密封圈的压紧作用，使得其在工作中承受一定的介质载荷，可能会发生变形，因此这种密封方式的许用工作压力不能太大，导致其无法应用在任意场合。

2 LNG低温深冷球阀设计选型固定式球阀的密封结构
    固定式球阀通常应用于压力较高的工作条件下或者是公称通径较大的管线上，它的球体由上下轴支承，球体不会偏离上下轴的轴线，阀座是浮动的，在介质压力作用下，推向球体产生密封力以获得可靠密封，与浮动式球阀相比，更加减小了球阀的启闭扭矩。也提出采用上述的自动泄压式阀座，但同时在阀杆处设计了一种多重密封结构，以免在进行水压试验时，填料内有水进入影响密封效果。同时在填料压板的螺栓连接处设置有碟形弹簧，用来补偿温度发生变化时带来的影响，保证密封良好。这种结构的优点是具有自泄压功能，采用上装式，相比于分体式球阀有很多突出优点，例如当需要维修时，只需将阀盖拆下就能取出球体和阀座，方便快捷，弥补了传统球阀一旦安装上，若发生故障，需要维修时，就要从管路上拆卸下来的不便  。阀体与阀盖之间的密封不是沿管道方向，因此不会受到管道中介质力的作用。阀门开关迅速，保证了系统安全可靠运行。由于具有双活塞效应的阀座很难实现其双活塞密封的功能，因此要解决这方面的技术问题。张清双等人 [18] 提出了一种波纹管密封上装式固定球球阀，其密封座处采用螺纹导向套结构。而波纹管的两端分别与阀座和螺纹导向套进行焊接。该螺纹导向套的端面设计成有两到三个螺纹孔，在此处通过螺钉来调整阀座处的位移，这样能够方便地将球体从阀体顶部放入阀体内。这种密封结构有效地改善了原本上装式球阀结构的局限性、不可靠性以及阀门的内漏等缺陷 。但是由于波纹管若使用单层结构则强度不够，容易破损 ；而如果采用多层结构，成本也会随之增加，所以一直没有被大量使用。

3 LNG低温深冷球阀设计选型轨道式球阀密封补偿结构
    轨道式球阀是利用凸轮机构原理来控制阀门的开启和关闭，而且启闭过程无摩擦，所以大部分阀门配置小手轮即可，在任何工况下都能保证很好的密封，特别是在低温状态下，复杂结构的各部件都会产生一定的变形 。目前，轨道式球阀广泛应用于石油、天然气、化工等行业。
     提出了一种可用于超低温工况的轨道式球阀密封补偿结构。它将阀杆设计为两段式，在阀杆上下两段之间布置了弹性件，通过弹性件来补偿在工作过程中由于温度变化带来的密封结构变形量。其工作原理为 ： 在关闭阀门时，阀芯在阀杆机械施压下紧紧地挤压在阀座上，此时弹性件也蓄有一定的弹性能量 ； 在这种状态下，当温度变化引起密封压力发生变化时，弹性件在能量的驱使下推动下端阀杆进行移动，补偿温差导致的变形，从而可以确保阀门一直处于良好的密封状态 ；当逆时针转动手轮时，阀杆向上运动，其底部角形平面使阀芯偏离阀座，阀门开启。

由于工况温度极低，使超低温阀门的设计与制造面临一系列的技术困难，例如，材料的选择、低温密封、结构设计、固溶处理、深冷处理、绝热、质量检测、维修、安全等。为此对于低温阀门的设计有着一系列严格的标准，国际上主要采用标准BS6364《低温阀门》和MSSSP－134《对低温阀门及其阀体/阀盖加长体的要求》，这两个标准较全面地规定了低温阀门设计和制造的要点和规则。标准JB/T7749《低温阀门技术条件》是根据BS6364《低温阀门》转化而成。

在设计低温阀门时，除了应遵循一般阀门的设计原则外，应根据使用的条件，遵循低温阀设计的特殊要求。

①阀门不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。

②低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。

③直接与低温介质接触的阀门组合件应具有防爆和防火结构。

④在低温下工作的阀门组合件无法润滑，所以需要采取结构措施以防止摩擦件擦伤。

在低温阀门设计过程中，除了考虑低温阀门的流通能力等一般性要求外，还需要考虑一些其他指标，以便更好地对低温阀门的技术水平进行评价。通常通过衡量能量消耗是否合理对低温阀门的技术水平进行评价。

①低温阀门的绝热性能。

②低温阀门的冷却性能。

③低温阀门启闭密封件的工作性能。

④低温阀门表面不结冰的条件。

低温阀门与通用阀门的工作环境有很大的区别，在低温阀门设计、制造和检验等过程中除了要遵守阀门设计、制造和检验的一般规则外，还应当注意低温阀门所处的环境而进行适当的调整。

    这种密封结构不仅仅消除了阀座的摩擦，解决了传统球阀的阀座磨损问题，还弥补了因温差对密封压力造成的影响，能进行实时补偿，密封可靠性得到了大大的提高，结构简单，也可以设计成顶装式，维修拆卸方便，因而得到了大量应用。