超低溫高壓球閥閥座與自泄壓結構設計

　　介紹了液化天然氣用超低溫高壓球閥撥叉自復位式閥座的結構特點(diǎn)，論述了密封圈材料VESPEL SP21的性能，分析了閥體中腔自泄壓方法。

1、概述

　　隨著(zhù)液化天然氣( LNG) 技術(shù)的快速發(fā)展，對超低溫高壓球閥( 簡(jiǎn)稱(chēng)球閥———下同) 性能提出了越來(lái)越高的要求。球閥主要用于低溫和超低溫管路系統中，接通或截斷管路中工作介質(zhì)的流動(dòng)，從而能保證管路系統的正常運行。本文主要探討球閥閥座和閥體中腔泄壓結構的特點(diǎn)。

2、結構特點(diǎn)

　　球閥采用上裝固定球結構(圖1) ，以降低在-196 ℃超低溫環(huán)境下由于材料熱膨脹性變化而導致摩擦系數升高所帶來(lái)的啟閉扭矩增大的問(wèn)題。

　　2.1、撥叉自復位式閥座

　　閥座密封預緊力由安放在彈簧保持架中施壓于閥座肩部的多個(gè)圓柱螺旋壓縮彈簧提供，該力恢復并補償長(cháng)期開(kāi)關(guān)閥門(mén)導致的密封面磨損及閥體內部的高低溫熱力變化，保證密封的可靠性。閥座為撥叉自復位式(圖2) ，閥門(mén)拆卸檢修時(shí)將帶凹槽的調整墊轉動(dòng)到閥座突出部位，閥座凸臺嵌入調整墊凹槽內，使閥座脫離球體，即可方便球體從閥門(mén)中法蘭處取出，避免了安裝、維修時(shí)彈簧壓縮行程過(guò)大，對彈簧預緊力產(chǎn)生影響。

圖1 超低溫高壓球閥

　　2.2、密封圈

　　在-196℃低溫狀態(tài)下，由于非金屬材料韌性好，彈性大，密封所需比壓較小，采用了金屬對非金屬組合密封副，即閥座采用金屬材料，密封圈采用VESPEL SP21 材料。VESPEL SP21 熱膨脹性較小，滲透性、熔點(diǎn)和熔融粘度、摩擦系數和水-汽滲透率較低，不滲透任何氣體，為不助燃的密封聚合物。在LNG -196℃高壓輸送管路中，VESPEL SP21 不發(fā)生脆裂，不蠕變，彈性和韌性較好，與PCTFE 相比能承受更高載荷，其耐低溫性、耐磨損性、抗變形能力好，使其在高壓力低溫環(huán)境下更容易密封(表1) 。但是，VESPEL SP21 硬度較低，容易出現擦傷和劃痕，使閥門(mén)出現泄漏。另外，VESPEL SP21 價(jià)格高，其成本是PCTFE 的幾倍。

圖2 撥叉自復位式閥座

表1 VESPEL SP21 的力學(xué)性能

3、自泄壓結構

　　LNG氣化后體積將擴大為原來(lái)的600 多倍，存在異常升壓的問(wèn)題。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為當閥門(mén)關(guān)閉后，殘留在閥體腔內的LNG 從周?chē)�環(huán)境中大量吸收熱量迅速氣化，在閥體內產(chǎn)生很高的壓強，從而破壞球體及閥座組件，使閥門(mén)不能正常工作，所以在LNG 超低溫環(huán)境下的閥門(mén)都需要設置泄壓結構，以防止腔體內異常升壓。

　　3.1、自泄壓式閥座

　　自泄壓閥座(圖3) 又稱(chēng)為上游密封自動(dòng)泄壓式閥座。上游密封是指閥門(mén)使用時(shí)靠上游閥座起密封作用，當管道內為低壓力或無(wú)壓力時(shí)，通過(guò)閥座背面設置的彈簧提供初始密封預緊力從而保證在此狀態(tài)下的密封性能。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為當管道內為正壓力時(shí)，通過(guò)介質(zhì)壓力將上游閥座推向球面形成密封。當閥門(mén)中腔壓力升高至工作壓力的1.33 倍時(shí)，中腔壓力反推閥座，壓縮預緊彈簧，是閥座脫離球面形成泄放通道，從而保證中腔壓力順利泄放(圖4) ，不會(huì )出現不穩定介質(zhì)在閥腔內發(fā)生化學(xué)變化或相態(tài)變化而引起的異常升壓，避免中腔壓力異常升壓帶來(lái)的安全隱患。

圖3 自泄壓閥座

　　由于受壓面積A4 > A3，當閥腔壓力增至1.33倍工作壓力時(shí)，閥座克服彈簧預緊力，推開(kāi)閥座，使之與球體產(chǎn)生間隙，內腔過(guò)載壓力自動(dòng)泄放到上游管線(xiàn)中。

圖4 泄壓

　　下游閥座( 圖5) 是雙密封閥座，其結構使閥座緊貼球面達到密封。此結構既能保證閥座在工作時(shí)上下游同時(shí)起密封作用，又同時(shí)具備防止中腔升壓向上游泄放功能。在管道壓力下受壓面積A1 > A2，閥門(mén)中腔壓力下受壓面積A3 > A4，閥座始終緊貼球面達到密封。

圖5 雙密封閥座

　　3.2、單泄放式彈簧蓄能圈

　　對小于或等于200mm 口徑的閥門(mén)，可以利用彈簧蓄能圈單向密封的特點(diǎn)，使閥腔泄壓( 圖6) 。球閥關(guān)閉，中腔壓力升高時(shí)，下游為雙隔離雙向密封結構，無(wú)法泄壓。上游因為選擇單向密封彈簧蓄能圈，無(wú)法形成活塞效應，當壓力繼續升高至一定壓力時(shí)，則可通過(guò)彈簧蓄能圈的背面泄漏至管道而完成泄壓功能。利用彈簧蓄能圈背面泄壓，可以使上下游閥座尺寸、密封件尺寸、活塞徑向尺寸一致，從而減少閥門(mén)加工、裝配和維修的難度，并且可以降低閥門(mén)的扭矩。

圖6 利用彈簧圈泄壓

　　3.3、泄壓裝置

　　對大于200mm 以上球閥，采用設置自動(dòng)泄壓裝置解決閥腔內部壓力升高的問(wèn)題。大多數常規球閥一般選擇在閥體上增設泄放閥釋放閥腔內部的壓力。但是LNG 用球閥由于其使用在超低溫工況環(huán)境下，如果向外界釋放壓力則會(huì )對環(huán)境和安全等造成影響。根據工藝管道要求，在球體上安裝一個(gè)具有單向導通功能的自動(dòng)泄放閥向上、下游管道釋放閥腔壓力( 圖7) 。當球體沿A 方向受管道壓力時(shí)，球體上的自動(dòng)泄放閥由于受到自身彈簧預緊力和介質(zhì)作用力的作用使內件關(guān)閉，處于密封狀態(tài)。當閥腔受外界影響，發(fā)生壓力改變，球體受到沿B 方向作用的閥腔作用力，當異常達到一定壓力時(shí)，沿B向的作用力克服泄放閥彈簧預緊力，推開(kāi)泄放閥內件，使泄放閥打開(kāi)，形成一個(gè)泄放孔，從而泄放掉閥腔內部的壓力，使閥門(mén)可以安全正常工作。

圖7 球體上設置泄壓閥

4、結語(yǔ)

　　超低溫高壓球閥開(kāi)關(guān)迅速，密封安全可靠，可在線(xiàn)維修，拆卸簡(jiǎn)單迅速，方便快捷，保證了系統的安全可靠運行，減少了對環(huán)境的污染和危害。