加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范

1.加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范概述

天然氣作為21世紀清潔能源之一，其未來市場一直被看好。根據國際能源機構（IEA）發布的天然氣中長期需求預測報告顯示，到2035年全球天然氣（以下簡稱LNG）需求總量達到5.1萬億立方米，占全球能源需求25%。超低溫閥門作為服務于LNG管道輸送的關鍵控制件，這幾年的需求量也同樣隨著接收站的增長變得越來越大。由于LNG液化后的實際運輸溫度極低，達到-162℃，而閥門在工廠進行出廠測試時，只能采用模擬工況檢測。很難反映出閥門的真實使用狀態，所以結合現場經驗，進行有針對性的優化設計就格外重要。

2.加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范典型結構

低溫球閥適用于的各種管路上，用于截斷或接通管路中的介質，選用不同材質，可分別適用于不同的溫度和介質，工作溫度為-196℃。低溫球閥的驅動方式為手動、蝸輪蝸桿傳動、氣動或電動。低溫球閥一般采用法蘭,焊接,螺紋連接。

低溫球閥分為低溫浮動球閥和低溫固定球閥兩類,對于溫度高于-50℃,一般不采用長頸結構,對于溫度低于-50℃的球閥,頸部長度T一般為250mm,產品主要用于輸出液態低溫介質如空分設備、LNG、乙希、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油、二氧化碳低溫貯槽及槽車、變壓吸附制氧等裝置上。產品等。

加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范結構特點：
1、本閥門為全通徑浮動球閥、結構緊湊、造型美觀、流阻系數小。
2、密封面采用氟塑料，密封副材料配對合理，使用壽命長。
3、球體與四氟閥座為緊密封結合，具備零泄漏功能，并能利用其塑性變形自動補償因磨損帶來的誤差，達到密封性能好，使用壽命長的目的。為了保證閥桿處的密封，在閥體上增設了填料函和壓蓋進行密封。
4、可選用各種配管法蘭標準及法蘭密封面型式，還可選用手動、蝸輪傳動、電動、氣動、液動等各種驅動方式，滿足用戶不同需求。對低溫球閥的主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗，以保證閥門在低溫工況時不脆裂，經得起低溫介質沖擊。

對每臺閥門進行以下試驗：
1.常溫殼體強度試驗；
2.常溫低壓上密封試驗；
3.常溫低壓密封試驗；
4.低溫上密封氣密試驗（有上密封時）；
5.低溫氣密封試驗等，以確保整臺低溫閥門符合標準的規定；
6.對主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗，以保證閥門在低溫工況時不脆裂，經得起低溫介質沖擊；
7.低溫（深冷 ）閥門均按相應材料規范進行低溫處理和沖擊試驗
8.搞靜電功能更加強大，閥體與閥桿或內件與閥體間導通電阻小于1歐姆。

2.1 加長套頂部排水槽設計

為了確保低溫閥門填料位置不因溫度過低而導致結冰，除止回閥之外的其他類型閥門，不管是冷箱型還是非冷箱型結構，在設計時，一般均為加長閥蓋（此處稱作加長套）設計，其加長的高度在相關標準中都有明確的最小規定值。而在項目現場，低溫介質從閥腔內流過，由于熱傳遞的原因，閥體外側會有正常的結霜現象，所以靠近閥體周圍的環境溫度相對較低，空氣中的水蒸氣遇冷會液化，液化后的水會順著支架自然流下，當到達加長套的頂部時，很容易浸入到填料腔中，隨著時間的推移，極有可能會導致加長套內壁結冰，從而引發閥門開關卡鈍等故障。為避免這個現象，結合使用的經驗，特在加長套的頂部設計若干個角度為5°左右的排水槽，如圖1所示。當冷凝水流到加長套頂部的平臺后，水可以順著向下5°的斜槽順利流出，而不會在此積聚，更不會浸入填料腔形成潛在危害。在實際設計當中，這種開設排水槽的結構大多是在口徑偏大的設計中選用，因為局部開槽能夠保留加長套頂部連接盤的整體強度不受影響。其次，口徑偏大的閥門，頂部大多需要連接支架和執行機構，這樣能夠保證平面和支架或者執行機構連接時的吻合度，從而保證機械傳動的穩定性。在閥門口徑偏小而選用手柄開啟的時候，為了節省加工的工時和減少工序，可以將向下的排水槽改成一整圈的斜端面，將原來平端面在加工的時候直接車削成向外的拔模形式，冷凝水流到平面時可以從任何一個方向流出，這樣可以省去了銑削的工序，達到的效果是一樣的。

2.2 填料函組合設計

由于低溫閥門內所流通的介質大多數都屬于高危性質，尤其像LNG這種介質，在溫度上升后，體積會呈現數倍膨脹，如果發生外泄漏，容易引起強烈的火災隱患，所以對于這種閥門而言，外漏都是不允許的，這對于動態密封的閥桿位置一直是個難點。很多生產企業都能保證產品在出廠時的密封性能，甚至低泄漏檢測也能順利通過。但閥桿作為驅動力矩的傳力部件，要么做升降動作，或者做旋轉動作，而且填料部位受閥門開啟和關閉的影響，會導致冷媒介質的竄動，所以溫度的變化相對較大，導致密封件的熱脹冷縮也不穩定，這對于填料位置的長期密封性能而言，一直是個挑戰。

其次，低溫閥門在設計上一般均采用閥頸加長（止回閥除外），加長閥頸的高度隨著使用溫度越低，高度越高。一般超低溫閥門閥頸加高都不低于250mm，而閥桿和加長閥頸等這些零件不可避免的會存在加工誤差，所以在裝配時經常會出現閥桿和填料函位置不同心的情況。在常規的設計中，都是依賴于填料墊片和填料壓套的作用強制性將閥桿憋回到同心的位置，這種方式雖然從外觀上看不出來任何異樣，但是在實際使用的時候，閥門的開關扭矩會異常大，有時所需要的操作力甚至會超出閥桿所承受的力矩，嚴重影響閥門的使用壽命。針對以上幾個細節問題，特提出以下設計方案，結構所示。

填料函的組合設計從下至上分別為Lip-seal主密封、一體式軸承填料墊、組合填料（一般為石墨+PTFE組合）、碟簧加載補償。Lip-seal作為主密封，在最靠近介質壓力側，能起到主要作用。其次，在填料墊的設計上做了改進，將普通的填料墊和軸承做成T型一體式，高度符合軸承的需求，能夠彌補加長閥頸位置閥桿和填料函不同心的問題，頂部T型臺階能夠準確控制下面Lip-seal所需要的密封空間，可有效防止壓力上竄導致Lip-seal被擠壓損壞。填料作為輔助密封由兩種材料組成，石墨在此處主要是防火的作用，PTFE作為輔助密封，此處不全部選用石墨作為輔助密封主要是為了降低開關扭矩。頂部的填料壓蓋采用碟形彈簧提供預緊力，一般均選用兩對4只碟形彈簧，面對面形式安裝。這種組合形式，既能保證有效的密封，也能保證閥桿和加長套的同軸度，有效控制扭矩，使用效果良好。

2.3 SPE端內嵌式封閉槽設計

固定式低溫球閥的閥座密封位置與常溫閥稍有不同，因為上裝式低溫球閥的閥座組件在安裝時，整個組件是需要前后移位來騰出空間安裝球體的，這必然會導致與閥座函內壁產生強制摩擦。而且在安裝的過程中，由于閥座組件和閥座函之間是間隙配合，所以不能絕對保證二者同軸，因此在閥座組件導入的過程中，l可能會存在扭曲或者局部產生變形的可能，這些潛在的問題都會對精密密封件的密封性產生不可逆的影響，甚至會直接失去密封性能。

內嵌式SPE單活塞設計如圖4所示，該結構主要是將l的位置由套在閥座支撐圈外圓改到內嵌閥體閥座函中。裝配時，先將前后可移動的范圍很小，幾乎可以忽略不計。再將閥座組件導入閥腔，在閥座組件前后移位的過程中，只有Lip-seal內圈和閥座支撐圈外表面形成固定的摩擦，但此摩擦相對之前的設計而言，在槽內沒有發生前后移動，不會輕易發生扭曲變形等問題，也就間接保護了該零件的精密密封性能，穩定性更高。

2.4 端的設計

和SPE端的設計類似，低溫固定球閥的DPE端密封也是采用Lip-seal替代常溫傳統的O型密封圈結構。DPE與SPE不同，也稱之為雙活塞結構，一般默認設計均為閥后一側。DPE側的設計因為要考慮閥后側的活塞效應，以及閥腔反向密封所需要的活塞效應，所以無法像閥前一樣做成內溝槽封閉式結構。常見的DPE雙活塞Lip-seal密封圈有兩種形式，第一種為單彈簧背靠背形式，如圖5（a）所示，這種結構左右兩邊為對稱的兩個單活塞密封圈；另一種結構為雙彈簧背靠背形式，如圖5（b）所示，這種結構和前者不同之處是每一側的夾套上下對稱分布著兩個彈簧，一套密封圈內鑲嵌有四個彈簧。二者相比較而言，單彈簧背靠背形式所需要的溝槽相對狹窄一點，在保證中腔密封比壓的時候，閥后所能提供的密封截面會小一些，所以對應能提供的密封比壓較小，一般主要應用在150lb~600lb之間（PN100以內），當然這也不是絕對的，更不是標準所規定的，僅僅是行業選用的慣用操作。圖5（b）所示的雙活塞結構，密封截面相對更寬一些，主要常見寬度為8 mm、11.25 mm、12 mm（圣戈班）、14 mm四種。在設計的時候，一般選用原則是盡可能選用寬一些的截面，這樣不僅能保證正反向都能提供合適的密封比壓，其次大截面具有的空間，也能保證內部鑲嵌的彈簧截面更大一些。在超低溫工況下，受擠壓時才能有效保證彈簧的有效壓縮而不會屈服失效，過小的彈簧難以控制壓縮量而容易損壞。

如此一來，在核算閥座所需要的推力時，就需要注意，不能依靠O型圈的核算方法，但同時，正壓力在此處是由擠壓而形成的，也是沒辦法準確量化取值的，所以此處需要設計人員結合自己的經驗來給定閥座的合理推力，這個推力包含閥座全壓差工況下的密封以及在低壓工況下的初始密封。很多剛開始接觸低溫球閥的技術人員會經常提到：“閥門在常溫下密封效果很好，低溫下就幾乎直通了”，很多情況下其原因就是此處比壓不合理，在低溫下，閥座組件因零部件收縮而抱緊，常溫工況下的推力根本無法推動閥座，導致球口發生泄漏。這種現象在DPE端尤其明顯，DPE端的密封圈相對SPE端，內嵌彈簧數量為SPE端的兩倍或四倍，相對應的摩擦力也會呈現倍數形式增加，這對設計提出了更高的要求。技術人員在DPE端的設計時，應該充分考慮每個細節對密封產生的影響，保證設計的合理性以及穩定性。

加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范結構設計及加工制造的特點

低溫球閥分為低溫浮動球閥和低溫固定球閥兩類,對于溫度高于-50℃,一般不采用長頸結構,對于溫度低于-50℃的球閥,頸部長度T一般為250mm,低溫球閥主要用于輸出液態低溫介質如乙烯、液氧、液氫、液氮、液氨、液態丙烷、液化天然氣、液化石油產品等，不但易燃易爆，而且在升溫時要氣化，氣化 時，體積膨脹數倍。

材料選型

液化天然氣閥門的材料非常重要，材質不合格，會造成殼體及密封面的外漏或內漏；零部件的綜合機械性能、強度和鋼度滿足不了使用要求甚至斷裂。導致液化天然 氣介質泄漏引起爆炸。液化天然氣閥門的過程中，材質是首要關鍵的問題。閥體、閥蓋采用：LCB(-46℃)、 LC3(-101℃)、CF8（304）(-196℃).

低溫處理

我廠對所生產的低溫閥門經特殊的低溫處理，將粗加工的零件置于冷卻介質中數小時（2-6小時），以釋放應力，確保材料的低溫性能，保證加工尺寸，以防閥門在低溫工況時，因溫度變化造成變形而導致的泄漏。

加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范技術規范

加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范材料及主要參數

加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范低溫球閥主要零部件材料：

加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范低溫球閥產品規范

低溫球閥,超低溫球閥尺寸圖:

3.加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范結語

低溫球閥的設計總體上而言，很多是由常溫球閥演變而來的，但同時也有很多與常溫球閥不同之處，鑒于使用溫度上具有很大的差異，所以在材料選擇、密封形式等方面需要設計人員特別注意。加長套的排水槽設計，能在很大程度上避免填料進水結冰而損壞閥桿的問題，同時也能間接降低結冰磨損而造成的開關扭矩變大的現象。針對不同的開啟方式，設計人員可以調整排水槽的設計方式，只要能達到相同的效果即可。填料函的復合結構在國外已經相對比較普及了，國內很多都省去了Lip-seal這個環節，短期內是可以節省成本，但是從長期使用上來講，下面有這個密封圈的閥門扭矩更輕、使用壽命更長，是值得普及推廣的。其次，單雙活塞的設計靈活多變，需要注意的還是摩擦力對推力形成的影響，與常溫閥門有較大的不同，所需要的推力更大，與此對應，閥門在開啟時，所需要的扭矩也比常溫閥門略大。加長桿超低溫深冷法蘭式球閥設計規范