超低温球阀的结构设计与安装

1、超低温球阀的结构设计与安装中国泵业网 近几年，跟着石油化工的发展，特别是液化自然气 (LNG)的广泛应用，对超低温工况下应用的阀门的要求也越来越高。 根据相关工程设计及工艺操纵安全的要求， 海内外各阀门供给商一直 在进行对超低温球阀在不同部位的结构设计方面的研究，并对结构设计进行相应的改进。笔者结合在液化自然气出产的工程设计实践经 验，先容超低温球阀的主要结构设计特点、 低温试验及安装的留意事 项，以便为工程设计中类似介质的超低温阀门的选用提供参考。1超低温球阀简述石化行业中对低温阀门的定义是按照输送介质的设计温度来定义 的，一般将应用在介质温度-40 C以下的阀门称作低温阀，应用在介 质温度

2、-101 C以下的阀门称作超低温阀门。超低温球阀主要应用于液化自然气、液化石油气以及空分行业的 装置上，输出的液态低温介质有：液氧、液氢、液化自然气、液化石 油产品等。这些介质不但易燃易爆，而且在升温或者闪蒸时会发气愤 化，气化时体积急剧膨胀，假如输送这些流体的阀门中有密闭阀腔且 结构设计不公道，则会造成阀腔超压，从而导致介质泄漏，甚至阀门 开裂造成事故。2超低温球阀主要结构的设计特点超低温球阀因其使用介质和使用环境的特殊性，在结构设计上有 着与其他种类阀门明显不同的特点2.1加长阀盖设计及滴水板设计低温阀门的阀盖均采用加长阀盖的设计。加长阀盖的设计要使阀 门操纵手柄和填料安装位置阔别低温区，

3、既可以避免介质的低温导致 阀门操纵者的冷灼伤，也可以使阀门的填料在正常的温度下工作，保证填料不会受到霜冻的侵害而导致填料断裂失效。另外，因为一般超低温阀门保冷层会比较厚，加长的阀盖也保证了保冷施工的空间， 并 使填料压盖位于保冷层外，添加填料及紧固压盖螺栓时，无须损坏保 冷层。有的厂家在超低温球阀的加长阀盖上，采用了滴水板设计。滴水 板需设置在保冷层外侧，可以防止冷凝的水滴落到保冷层及阀体上 部，保护保冷层及防止冷量流失。表1为美国阀门及管件制造商尺度化协会的尺度 MSSSP-134中给 出的低温阀加长杆的长度。各个厂家的产品在加长阀盖的长度划定上 会稍有不同，在设计时需参考选定厂家的产品尺寸

4、。2.2防火设计及防静电设计因为超低温球阀一般均应用在易燃易爆的介质上，防火设计及防 静电设计显得尤为重要，是超低温球阀结构的必要组成部门， 不可缺 少。超低温球阀的防火设计与普通球阀的设计类似，在各环节的密圭寸上采用石墨密封圈。防静电设计采用弹簧式结构，避免静电电荷累积 产生的爆炸危险。表1低温阀加长杆长度 mm注：NPS表示阀门公称直径（DN ）。2.3阀腔泄压设计及阀门的密封圈设计超低温球阀应用在易燃易爆且容易气化的介质时，对于阀门密封结构有着特殊的要求。这是因为球阀在结构上一般会有密闭阀腔， 由 于介质气化时体积急剧膨胀，球阀在密封结构设计上，一定要考虑密 闭阀腔的泄压要求。球阀按结构

5、分为浮动球式及固定球式两种。 由于 浮动球式超低温球阀和固定球式超低温球阀的阀门密封原理不同， 在 泄压设计上，会有明显的区别。浮动球式球阀的密圭寸依靠介质的压力，把球体推向下游的密圭寸面， 从而达到密封的要求。所以一般浮动球式低温球阀的密封结构为上游 密封圈采用弹簧预紧式密封结构，泄压采用在球体上钻孔的方式。由 于上游介质的压力高，一般阀门的泄压方向都采用向上游泄压。 弹簧 预紧式阀座可以使球体在弹簧的作用下， 压向下游密封圈。这种密封 结构的好处是使密封更可靠，同时球阀开启扭矩也会减小。球体上钻 孔可以使阀腔与阀门上游相通，避免阀腔因介质气化膨胀而局部升 压。固定球式超低温球阀的密封一般是

6、双向密封，即上下游密封圈要同时起到密封的作用。上游密封圈用单活塞式密封阀座， 下游密封圈 用双活塞式密封阀座。单活塞阀座的原理为单向活塞式的作用， 在密 封副的设计上，考虑到因密封面两个方向作用力的差值而产生的作用 力方向的不同，从而使密封副在压力差的推动下，产生相应方向的活塞运动（单活塞效应）。正常压力下前阀座单活塞密封示意图见图1,在上游管道正常推力 P1大于反向推力P2时（P1>P2），在压力差的 作用下，把密封圈压向球体，达到密封；而在阀腔压力升高时，在此 压力的作用下，推开密封圈，使阀腔里的气体泄向上游管道。图1正常压力下前阀座单活塞密封示意图中腔泄压时前阀座单活塞密封示意图见

7、图 2,当阀门中腔有异常压 力时，中腔压力大于流体压力，且压力差产生的推力满足 P3>P4+P5（P3为阀腔压力作用在图示作用面上的推力,P4为流体作用 在阀座上端推力，P5为弹簧推力），阀座在压力的推动下，离开球体， 泄放压力。图2中腔泄压时前阀座单活塞密封示意图双活塞阀座的原理与单活塞阀座的原理类似，只是在密封圈的设 计上，要保证无论在下游管道压力高于阀腔压力时，还是在阀腔压力高于下游管道压力时，密封圈都能达到密封，从而避免阀腔气体向下 游泄压并保护下游管道（双活塞效应）。正常压力下后阀座双活塞密 封示意图见图3,在正常压力方向，由于阀腔压力 P6小于阀座弹簧 压力P7与流体压力作用

8、在图示作用面上压力 P8之和（P6正向流体压 力P10，阀座在压力作用下也会压向球体，阻止介质通过。阀座的主密封件采用唇式密封（Lipseal），以便确保低温时阀门的密封性能，上游阀座因阀腔泄压的需要，一般采用单向唇式密封圈，而下游阀座由于双向密封的需要，采用双向密封圈，如图1图4所示。.不外不同的厂家在单活塞阀座以及双活塞阀座的设计上，都有自 己不同的特点，良多厂家也申请了设计专利，在此不逐一赘述。3超低温球阀的安装留意事项由于超低温阀门的特殊结构，安装阀门时，也应考虑相应的阀门结构特点，否则将会影响阀门的使用，导致阀门失效。3.1阀杆安装角度超低温球阀不能水平安装，即阀杆不可安装在水平方向

9、。这是因 为超低温阀加长阀盖的结构特点要求的，否则低温介质将布满阀盖的 加长部门，造成阀门填料失效，并会将冷量传给阀门手柄，给操纵职 员带来人身伤害。3.2泄压方向如前所述，超低温球阀一般向上游方向泄压。这里要特别提出的 是，这个上游方向并非一直是与管线流向相反的方向，正确地说应该是阀门封闭时的上游方向。好比，由于考虑维修而设在调节阀两真个 堵截阀的安装方向应该相反，两个堵截阀的泄压方向均应背对调节阀 的方向。这样在调节阀的维修时，两个堵截阀在封闭状态时，可以分 别向相连接的管道方向泄压，否则阀门阀腔中的气体将会泄向大气而 造成环境污染，并产生爆炸危险。所以在安装阀门时，要特别留意阀 门泄压方向的要求。阀门泄压的方向应在工艺流程图上标出， 并体现 在管道轴测图中。3.3阀门干燥要彻底因为超低温球阀阀门均在低温工况下使用，对阀门的干燥提出了 很高的要求。假如阀门里有积水存在，在低温下水会结冰，体积膨胀, 对阀门内部的部件会产生压力，导致阀门密封不严，甚至结构损坏。 超低温阀门在水压试验后，要进行严格的干燥才能出厂。通常超低温 球阀阀门在现场不做水压试验，而用气压试验代替。这是由于施工现 场的前提有限，水压试验后阀门内积水去除不完全，干燥不彻底，影 响阀门的正常使用。4结语跟着液化自然气的应用越来越广泛