1 概述
隨著液化天然氣（LNG）技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)超低溫高壓球閥（簡(jiǎn)稱球閥———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(tǒng)中，接通或截?cái)喙苈分泄ぷ鹘橘|(zhì)的流動(dòng)，從而能保證管路系統(tǒng)的正常運(yùn)行。本文主要探討球閥閥座和閥體中腔泄壓結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
球閥采用上裝固定球結(jié)構(gòu)（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(dǎo)致摩擦系數(shù)升高所帶來(lái)的啟閉扭矩增大的問(wèn)題。
1.閥體2.閥座3.球體4.閥蓋5.驅(qū)動(dòng)裝置6.支架
圖1 超低溫高壓球閥
2.1 撥叉自復(fù)位式閥座閥座
密封預(yù)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(fù)并補(bǔ)償長(zhǎng)期開(kāi)關(guān)閥門(mén)導(dǎo)致的密封面磨損及閥體內(nèi)部的高低溫?zé)崃ψ兓?，保證密封的可靠性。閥座為撥叉自復(fù)位式（圖2），閥門(mén)拆卸檢修時(shí)將帶凹槽的調(diào)整墊轉(zhuǎn)動(dòng)到閥座突出部位，閥座凸臺(tái)嵌入調(diào)整墊凹槽內(nèi)，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(duì)彈簧預(yù)緊力產(chǎn)生影響。
1.彈簧保持架2.密封圈3.護(hù)套
4.閥座5.彈簧蓄能圈6.彈簧7.調(diào)整墊
圖2 撥叉自復(fù)位式閥座
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(duì)非金屬組合密封副，即閥座采用金屬材料，密封圈采用VESPELSP21材料。VESPELSP21熱膨脹性較小，滲透性、熔點(diǎn)和熔融粘度、摩擦系數(shù)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，VESPELSP21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，VESPELSP21硬度較低，容易出現(xiàn)擦傷和劃痕，使閥門(mén)出現(xiàn)泄漏。另外，VESPELSP21價(jià)格高，其成本是PCTFE的幾倍。
表1 VESPELSP21的力學(xué)性能
3 自泄壓結(jié)構(gòu)
LNG氣化后體積將擴(kuò)大為原來(lái)的600多倍，存在異常升壓的問(wèn)題。當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉后，殘留在閥體腔內(nèi)的LNG從周圍環(huán)境中大量吸收熱量迅速氣化，在閥體內(nèi)產(chǎn)生很高的壓強(qiáng)，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(shè)置泄壓結(jié)構(gòu)，以防止腔體內(nèi)異常升壓。
3.1 自泄壓式閥座
自泄壓閥座（圖3）又稱為上游密封自動(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(dāng)管道內(nèi)為低壓力或無(wú)壓力時(shí)，通過(guò)閥座背面設(shè)置的彈簧提供初始密封預(yù)緊力從而保證在此狀態(tài)下的密封性能。當(dāng)管道內(nèi)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(dāng)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(yù)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(xiàn)不穩(wěn)定介質(zhì)在閥腔內(nèi)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(dāng)閥腔壓力增至1.33倍工作壓力時(shí)，閥座克服彈簧預(yù)緊力，推開(kāi)閥座，使之與球體產(chǎn)生間隙，內(nèi)腔過(guò)載壓力自動(dòng)泄放到上游管線中。
圖4 泄壓
下游閥座（圖5）是雙密封閥座，其結(jié)構(gòu)使閥座緊貼球面達(dá)到密封。此結(jié)構(gòu)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(dá)到密封。
圖5 雙密封閥座
3.2 單泄放式彈簧蓄能圈
對(duì)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(jié)構(gòu)，無(wú)法泄壓。上游因?yàn)檫x擇單向密封彈簧蓄能圈，無(wú)法形成活塞效應(yīng)，當(dāng)壓力繼續(xù)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(duì)大于200mm以上球閥，采用設(shè)置自動(dòng)泄壓裝置解決閥腔內(nèi)部壓力升高的問(wèn)題。大多數(shù)常規(guī)球閥一般選擇在閥體上增設(shè)泄放閥釋放閥腔內(nèi)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(duì)環(huán)境和安全等造成影響。根據(jù)工藝管道要求，在球體上安裝一個(gè)具有單向?qū)üδ艿淖詣?dòng)泄放閥向上、下游管道釋放閥腔壓力（圖7）。當(dāng)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(yù)緊力和介質(zhì)作用力的作用使內(nèi)件關(guān)閉，處于密封狀態(tài)。當(dāng)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(dāng)異常達(dá)到一定壓力時(shí)，沿B向的作用力克服泄放閥彈簧預(yù)緊力，推開(kāi)泄放閥內(nèi)件，使泄放閥打開(kāi)，形成一個(gè)泄放孔，從而泄放掉閥腔內(nèi)部的壓力，使閥門(mén)可以安全正常工作。
1.球體2.泄壓閥
圖7 球體上設(shè)置泄壓閥
4 結(jié)語(yǔ)
超低溫高壓球閥開(kāi)關(guān)迅速，密封安全可靠，可在線維修，拆卸簡(jiǎn)單迅速，方便快捷，保證了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，減少了對(duì)環(huán)境的污染和危害。
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