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LNG石化低溫液化氣球閥設(shè)計(jì)選型

該閥門采用成形聚四氟乙烯填料，適用于大多數(shù)高中壓燃?xì)廨斔蛨龊?，手柄操作力矩平穩(wěn)，O形密封圈用來防止外部雜質(zhì)進(jìn)入閥門內(nèi)部。并保持閥門長期密封性能，大于DN150的球閥采用蝸輪驅(qū)動(dòng)。是由旋塞演變而來的，它的啟閉件作為一個(gè)球體，利用球體繞閥桿的軸線旋轉(zhuǎn)90o實(shí)現(xiàn)開啟和關(guān)閉的目的。球閥在管道上主要用于切斷、分配和改變介質(zhì)流動(dòng)方向，設(shè)計(jì)成V形開口的球閥還具有良好的流量調(diào)節(jié)功能。球閥不僅結(jié)構(gòu)簡單、密封性能好，而且在一定的公稱通經(jīng)范圍內(nèi)體積較小、重量輕、材料耗用少、安裝尺寸小，并且驅(qū)動(dòng)力矩小，操作簡便、易實(shí)現(xiàn)快速啟閉，球閥是近十幾年來發(fā)展最快的閥門品種之一。

    LNG 主要成分為甲烷、乙烷、丙烷以及少量氮?dú)?，它是一種無色、無味和無腐蝕性的低溫液體，密度比空氣小，安全性比較高，燃燒后二氧化硫和粉塵排放量幾乎為零，因此作為一種清潔能源被廣泛使用。由于它分子量小、黏度低、滲透性強(qiáng)等性質(zhì)，易于泄漏和擴(kuò)散，因此在 LNG 的生產(chǎn)、運(yùn)輸以及接收過程中，用于切斷、止回和調(diào)節(jié)的閥門對(duì)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有至關(guān)重要的作用。目前，用于 LNG 關(guān)鍵設(shè)備中關(guān)斷的閥門有閘閥、截止閥、蝶閥和球閥四類  。由于球閥的結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、壽命長而且開關(guān)迅速，尤其是相比于其他類型的閥門具有流動(dòng)阻力小的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用 。

由于 LNG 的球閥在低溫環(huán)境下工作，對(duì)其密封性能有較高的要求 。球閥密封性能是決定其質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)，因此對(duì)低溫球閥密封結(jié)構(gòu)研究一直是本領(lǐng)域的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文總結(jié)了目前應(yīng)用于 LNG 低溫球閥不同類型的密封結(jié)構(gòu)，分析了每種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并提出了優(yōu)化改進(jìn)的建議。適用于介質(zhì)溫度-40℃～-196℃的閥門稱之為低溫閥門，而這類閥門一般都采用長頸閥蓋。該文中以有名的進(jìn)口低溫閥門品牌德國沃德WODE的產(chǎn)品來分析下低溫閥門的定義特征和采用長頸閥蓋原因。

LNG石化低溫液化氣球閥設(shè)計(jì)選型

采用長頸閥蓋規(guī)定低溫閥門包括低溫緊急切斷閥、低溫截止閥、低溫止回閥，LNG專用低溫閥等，主要用于三十萬噸乙烯，液化天然氣等化工裝置上。輸出的液態(tài)低溫介質(zhì)如乙烯、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產(chǎn)品等，不但易燃易爆，而且在升溫時(shí)要?dú)饣?，氣化時(shí)，體積膨脹數(shù)百倍。

    低溫球閥的主要結(jié)構(gòu)有閥座組件、閥體、球體和閥桿組件等。球閥中的密封結(jié)構(gòu)主要包含三個(gè)部分 ：閥桿填料處的密封，閥體連接處的密封以及閥體內(nèi)部閥座與球體之間的密封。這幾處的密封性能好壞在一定程度上決定了球閥能否正常工作，只有在同時(shí)保證其密封良好的狀態(tài)下，才能實(shí)現(xiàn)球閥的正常工作 。目前，按照密封結(jié)構(gòu)形式的不同，LNG低溫球閥主要有浮動(dòng)式、固定式和軌道式。

1.LNG石化低溫液化氣球閥設(shè)計(jì)選型浮動(dòng)式球閥密封結(jié)構(gòu)

    浮動(dòng)式球閥的球體被兩閥座夾持其中呈“浮動(dòng)"狀態(tài)。當(dāng)球閥關(guān)閉時(shí)，在流動(dòng)介質(zhì)的作用下，使球體緊緊壓在出口端的閥座密封圈上，從而保證閥門密封。提出在超低溫浮動(dòng)球閥中，閥桿填料函部位的密封通過閥桿填料加唇形密封圈的方式來進(jìn)行雙重密封，首先利用放置在閥桿填料底部唇形密封圈形成的密封副達(dá)到初級(jí)密封 ；再利用壓緊的閥桿填料形成第二重密封，壓緊填料的螺栓處放置的碟形彈簧能夠提供持續(xù)的預(yù)緊力。而球體與閥座之間是在流體介質(zhì)力的作用下，使球體緊貼出口端的閥座密封面，確保了球體與閥座之間的密封。入口端密封面采用碟形彈簧預(yù)緊式密封結(jié)構(gòu)，用蝶形彈簧來保證球體對(duì)出口端密封面的壓緊作用。

    浮動(dòng)式球閥主要應(yīng)用于口徑較小和壓力較低的工作條件下，而它大部分采用上述這種彈性密封結(jié)構(gòu)，這種密封結(jié)構(gòu)的好處是依靠較大的預(yù)緊力使得密封更加可靠，同時(shí)球閥較小的開啟扭矩有效地減少了球體的磨損，但是如果用硬密封材料制作的彈簧作為補(bǔ)償，容易產(chǎn)生磨損導(dǎo)致維修成本高，這可以通過采用碟形彈簧加軟密封圈的軟硬組合式密封的方法來改善，即在閥體與閥座之間加密封圈來保證閥門關(guān)閉時(shí)在介質(zhì)力的作用下閥芯與閥座的密封，減小閥芯的位移 。下游密封座處僅依靠介質(zhì)壓力不能*保證其密封的可靠性，同時(shí)由于介質(zhì)壓力對(duì)下游閥座密封圈的壓緊作用，使得其在工作中承受一定的介質(zhì)載荷，可能會(huì)發(fā)生變形，因此這種密封方式的許用工作壓力不能太大，導(dǎo)致其無法應(yīng)用在任意場合。

2 LNG石化低溫液化氣球閥設(shè)計(jì)選型固定式球閥的密封結(jié)構(gòu)

    固定式球閥通常應(yīng)用于壓力較高的工作條件下或者是公稱通徑較大的管線上，它的球體由上下軸支承，球體不會(huì)偏離上下軸的軸線，閥座是浮動(dòng)的，在介質(zhì)壓力作用下，推向球體產(chǎn)生密封力以獲得可靠密封，與浮動(dòng)式球閥相比，更加減小了球閥的啟閉扭矩。

目前被廣泛使用的一種固定球閥的閥座形式為其上、下游閥座均為單活塞效應(yīng)的自泄壓閥座。當(dāng)閥腔壓力較高時(shí)，上游閥座可以被推動(dòng)而向上游泄壓。當(dāng)閥腔壓力異常升高很多時(shí)，下游閥座也起到泄壓作用，同時(shí)向下游流道泄壓。這種閥座應(yīng)用于對(duì)密封性能要求不是特別高的場合。

提出了一種采用上游密封自動(dòng)泄壓式閥座的上裝式固定球閥。上游閥座為具有單活塞效應(yīng)的密封閥座，當(dāng)管道內(nèi)壓力較小時(shí)，通過將彈簧設(shè)置在閥座背面來保證足夠的初始預(yù)緊力以確保密封。當(dāng)管道內(nèi)壓力較大時(shí)，管道內(nèi)閥座處受壓面積 A 1 ＞A 2 ，則上游閥座在介質(zhì)壓力的作用下緊貼球體保證密封。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是密封性能很好，因?yàn)楫?dāng)閥門處于工作狀態(tài)時(shí)，既可以上下游同時(shí)保證密封，又能進(jìn)行自動(dòng)泄壓。

也提出采用上述的自動(dòng)泄壓式閥座，但同時(shí)在閥桿處設(shè)計(jì)了一種多重密封結(jié)構(gòu)，以免在進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，填料內(nèi)有水進(jìn)入影響密封效果。同時(shí)在填料壓板的螺栓連接處設(shè)置有碟形彈簧，用來補(bǔ)償溫度發(fā)生變化時(shí)帶來的影響，保證密封良好  。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是具有自泄壓功能，采用上裝式，相比于分體式球閥有很多突出優(yōu)點(diǎn)，例如當(dāng)需要維修時(shí)，只需將閥蓋拆下就能取出球體和閥座，方便快捷，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)球閥一旦安裝上，若發(fā)生故障，需要維修時(shí)，就要從管路上拆卸下來的不便 。閥體與閥蓋之間的密封不是沿管道方向，因此不會(huì)受到管道中介質(zhì)力的作用。閥門開關(guān)迅速，保證了系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。由于具有雙活塞效應(yīng)的閥座很難實(shí)現(xiàn)其雙活塞密封的功能，因此要解決這方面的。

提出了一種波紋管密封上裝式固定球球閥，其密封座處采用螺紋導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。而波紋管的兩端分別與閥座和螺紋導(dǎo)向套進(jìn)行焊接。該螺紋導(dǎo)向套的端面設(shè)計(jì)成有兩到三個(gè)螺紋孔，在此處通過螺釘來調(diào)整閥座處的位移，這樣能夠方便地將球體從閥體頂部放入閥體內(nèi)，。這種密封結(jié)構(gòu)有效地改善了原本上裝式球閥結(jié)構(gòu)的局限性、不可靠性以及閥門的內(nèi)漏等缺陷 。但是由于波紋管若使用單層結(jié)構(gòu)則強(qiáng)度不夠，容易破損 ；而如果采用多層結(jié)構(gòu)，成本也會(huì)隨之增加，所以一直沒有被大量使用。

3 LNG石化低溫液化氣球閥設(shè)計(jì)選型軌道式球閥密封補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

    軌道式球閥是利用凸輪機(jī)構(gòu)原理來控制閥門的開啟和關(guān)閉，而且啟閉過程無摩擦，所以大部分閥門配置小手輪即可，在任何工況下都能保證很好的密封，特別是在低溫狀態(tài)下，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的各部件都會(huì)產(chǎn)生一定的變形  。目前，軌道式球閥廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工等行業(yè)。

   提出了一種可用于超低溫工況的軌道式球閥密封補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。它將閥桿設(shè)計(jì)為兩段式，在閥桿上下兩段之間布置了彈性件，通過彈性件來補(bǔ)償在工作過程中由于溫度變化帶來的密封結(jié)構(gòu)變形量。其工作原理為 ： 在關(guān)閉閥門時(shí)，閥芯在閥桿機(jī)械施壓下緊緊地?cái)D壓在閥座上，此時(shí)彈性件也蓄有一定的彈性能量 ； 在這種狀態(tài)下，當(dāng)溫度變化引起密封壓力發(fā)生變化時(shí)，彈性件在能量的驅(qū)使下推動(dòng)下端閥桿進(jìn)行移動(dòng)，補(bǔ)償溫差導(dǎo)致的變形，從而可以確保閥門一直處于良好的密封狀態(tài) ；當(dāng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪時(shí)，閥桿向上運(yùn)動(dòng)，其底部角形平面使閥芯偏離閥座，閥門開啟。其技術(shù)方案要點(diǎn)是包括全容罐,所述全容罐包括內(nèi)罐和外罐,所述內(nèi)罐設(shè)置于外罐的中心位置,所述內(nèi)罐的底部安裝有若干隔熱板,所述內(nèi)罐和外罐之間設(shè)置有密封保護(hù)層,所述全容罐的頂部設(shè)置有穹頂,這種用于儲(chǔ)藏低溫液化氣的全容罐的優(yōu)點(diǎn)在于具有更好的保冷絕熱性能使低溫液化氣一直保持低溫狀態(tài).

LNG石化低溫液化氣球閥設(shè)計(jì)選型

    這種密封結(jié)構(gòu)不僅僅消除了閥座的摩擦，解決了傳統(tǒng)球閥的閥座磨損問題，還彌補(bǔ)了因溫差對(duì)密封壓力造成的影響，能進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，密封可靠性得到了大大的提高，結(jié)構(gòu)簡單，也可以設(shè)計(jì)成頂裝式，維修拆卸方便，因而得到了大量應(yīng)用。