加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范

1.加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范概述

天然氣作為21世紀(jì)清潔能源之一，其未來(lái)市場(chǎng)一直被看好。根據(jù)國(guó)際能源機(jī)構(gòu)（IEA）發(fā)布的天然氣中長(zhǎng)期需求預(yù)測(cè)報(bào)告顯示，到2035年全球天然氣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）需求總量達(dá)到5.1萬(wàn)億立方米，占全球能源需求25%。超低溫閥門(mén)作為服務(wù)于LNG管道輸送的關(guān)鍵控制件，這幾年的需求量也同樣隨著接收站的增長(zhǎng)變得越來(lái)越大。由于LNG液化后的實(shí)際運(yùn)輸溫度極低，達(dá)到-162℃，而閥門(mén)在工廠進(jìn)行出廠測(cè)試時(shí)，只能采用模擬工況檢測(cè)。很難反映出閥門(mén)的真實(shí)使用狀態(tài)，所以結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行有針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)就格外重要。

2.加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范典型結(jié)構(gòu)

低溫球閥適用于的各種管路上，用于截?cái)嗷蚪油ü苈分械慕橘|(zhì)，選用不同材質(zhì)，可分別適用于不同的溫度和介質(zhì)，工作溫度為-196℃。低溫球閥的驅(qū)動(dòng)方式為手動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、氣動(dòng)或電動(dòng)。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(dòng)球閥和低溫固定球閥兩類(lèi),對(duì)于溫度高于-50℃,一般不采用長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu),對(duì)于溫度低于-50℃的球閥,頸部長(zhǎng)度T一般為250mm,產(chǎn)品主要用于輸出液態(tài)低溫介質(zhì)如空分設(shè)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(chē)、變壓吸附制氧等裝置上。產(chǎn)品等。

加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
1、本閥門(mén)為全通徑浮動(dòng)球閥、結(jié)構(gòu)緊湊、造型美觀、流阻系數(shù)小。
2、密封面采用氟塑料，密封副材料配對(duì)合理，使用壽命長(zhǎng)。
3、球體與四氟閥座為緊密封結(jié)合，具備零泄漏功能，并能利用其塑性變形自動(dòng)補(bǔ)償因磨損帶來(lái)的誤差，達(dá)到密封性能好，使用壽命長(zhǎng)的目的。為了保證閥桿處的密封，在閥體上增設(shè)了填料函和壓蓋進(jìn)行密封。
4、可選用各種配管法蘭標(biāo)準(zhǔn)及法蘭密封面型式，還可選用手動(dòng)、蝸輪傳動(dòng)、電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)等各種驅(qū)動(dòng)方式，滿(mǎn)足用戶(hù)不同需求。對(duì)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(yàn)，以保證閥門(mén)在低溫工況時(shí)不脆裂，經(jīng)得起低溫介質(zhì)沖擊。

對(duì)每臺(tái)閥門(mén)進(jìn)行以下試驗(yàn)：
1.常溫殼體強(qiáng)度試驗(yàn)；
2.常溫低壓上密封試驗(yàn)；
3.常溫低壓密封試驗(yàn)；
4.低溫上密封氣密試驗(yàn)（有上密封時(shí)）；
5.低溫氣密封試驗(yàn)等，以確保整臺(tái)低溫閥門(mén)符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；
6.對(duì)主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗(yàn)，以保證閥門(mén)在低溫工況時(shí)不脆裂，經(jīng)得起低溫介質(zhì)沖擊；
7.低溫（深冷 ）閥門(mén)均按相應(yīng)材料規(guī)范進(jìn)行低溫處理和沖擊試驗(yàn)
8.搞靜電功能更加強(qiáng)大，閥體與閥桿或內(nèi)件與閥體間導(dǎo)通電阻小于1歐姆。

2.1 加長(zhǎng)套頂部排水槽設(shè)計(jì)

為了確保低溫閥門(mén)填料位置不因溫度過(guò)低而導(dǎo)致結(jié)冰，除止回閥之外的其他類(lèi)型閥門(mén)，不管是冷箱型還是非冷箱型結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)，一般均為加長(zhǎng)閥蓋（此處稱(chēng)作加長(zhǎng)套）設(shè)計(jì)，其加長(zhǎng)的高度在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的最小規(guī)定值。而在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，低溫介質(zhì)從閥腔內(nèi)流過(guò)，由于熱傳遞的原因，閥體外側(cè)會(huì)有正常的結(jié)霜現(xiàn)象，所以靠近閥體周?chē)沫h(huán)境溫度相對(duì)較低，空氣中的水蒸氣遇冷會(huì)液化，液化后的水會(huì)順著支架自然流下，當(dāng)?shù)竭_(dá)加長(zhǎng)套的頂部時(shí)，很容易浸入到填料腔中，隨著時(shí)間的推移，極有可能會(huì)導(dǎo)致加長(zhǎng)套內(nèi)壁結(jié)冰，從而引發(fā)閥門(mén)開(kāi)關(guān)卡鈍等故障。為避免這個(gè)現(xiàn)象，結(jié)合使用的經(jīng)驗(yàn)，特在加長(zhǎng)套的頂部設(shè)計(jì)若干個(gè)角度為5°左右的排水槽，如圖1所示。當(dāng)冷凝水流到加長(zhǎng)套頂部的平臺(tái)后，水可以順著向下5°的斜槽順利流出，而不會(huì)在此積聚，更不會(huì)浸入填料腔形成潛在危害。在實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中，這種開(kāi)設(shè)排水槽的結(jié)構(gòu)大多是在口徑偏大的設(shè)計(jì)中選用，因?yàn)榫植块_(kāi)槽能夠保留加長(zhǎng)套頂部連接盤(pán)的整體強(qiáng)度不受影響。其次，口徑偏大的閥門(mén)，頂部大多需要連接支架和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這樣能夠保證平面和支架或者執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接時(shí)的吻合度，從而保證機(jī)械傳動(dòng)的穩(wěn)定性。在閥門(mén)口徑偏小而選用手柄開(kāi)啟的時(shí)候，為了節(jié)省加工的工時(shí)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(lái)平端面在加工的時(shí)候直接車(chē)削成向外的拔模形式，冷凝水流到平面時(shí)可以從任何一個(gè)方向流出，這樣可以省去了銑削的工序，達(dá)到的效果是一樣的。

2.2 填料函組合設(shè)計(jì)

由于低溫閥門(mén)內(nèi)所流通的介質(zhì)大多數(shù)都屬于高危性質(zhì)，尤其像LNG這種介質(zhì)，在溫度上升后，體積會(huì)呈現(xiàn)數(shù)倍膨脹，如果發(fā)生外泄漏，容易引起強(qiáng)烈的火災(zāi)隱患，所以對(duì)于這種閥門(mén)而言，外漏都是不允許的，這對(duì)于動(dòng)態(tài)密封的閥桿位置一直是個(gè)難點(diǎn)。很多生產(chǎn)企業(yè)都能保證產(chǎn)品在出廠時(shí)的密封性能，甚至低泄漏檢測(cè)也能順利通過(guò)。但閥桿作為驅(qū)動(dòng)力矩的傳力部件，要么做升降動(dòng)作，或者做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，而且填料部位受閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉的影響，會(huì)導(dǎo)致冷媒介質(zhì)的竄動(dòng)，所以溫度的變化相對(duì)較大，導(dǎo)致密封件的熱脹冷縮也不穩(wěn)定，這對(duì)于填料位置的長(zhǎng)期密封性能而言，一直是個(gè)挑戰(zhàn)。

其次，低溫閥門(mén)在設(shè)計(jì)上一般均采用閥頸加長(zhǎng)（止回閥除外），加長(zhǎng)閥頸的高度隨著使用溫度越低，高度越高。一般超低溫閥門(mén)閥頸加高都不低于250mm，而閥桿和加長(zhǎng)閥頸等這些零件不可避免的會(huì)存在加工誤差，所以在裝配時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)閥桿和填料函位置不同心的情況。在常規(guī)的設(shè)計(jì)中，都是依賴(lài)于填料墊片和填料壓套的作用強(qiáng)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(lái)任何異樣，但是在實(shí)際使用的時(shí)候，閥門(mén)的開(kāi)關(guān)扭矩會(huì)異常大，有時(shí)所需要的操作力甚至?xí)鲩y桿所承受的力矩，嚴(yán)重影響閥門(mén)的使用壽命。針對(duì)以上幾個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題，特提出以下設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)所示。

填料函的組合設(shè)計(jì)從下至上分別為L(zhǎng)ip-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(bǔ)償。Lip-seal作為主密封，在最靠近介質(zhì)壓力側(cè)，能起到主要作用。其次，在填料墊的設(shè)計(jì)上做了改進(jìn)，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(bǔ)加長(zhǎng)閥頸位置閥桿和填料函不同心的問(wèn)題，頂部T型臺(tái)階能夠準(zhǔn)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(dǎo)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(kāi)關(guān)扭矩。頂部的填料壓蓋采用碟形彈簧提供預(yù)緊力，一般均選用兩對(duì)4只碟形彈簧，面對(duì)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(zhǎng)套的同軸度，有效控制扭矩，使用效果良好。

2.3 SPE端內(nèi)嵌式封閉槽設(shè)計(jì)

固定式低溫球閥的閥座密封位置與常溫閥稍有不同，因?yàn)樯涎b式低溫球閥的閥座組件在安裝時(shí)，整個(gè)組件是需要前后移位來(lái)騰出空間安裝球體的，這必然會(huì)導(dǎo)致與閥座函內(nèi)壁產(chǎn)生強(qiáng)制摩擦。而且在安裝的過(guò)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(duì)保證二者同軸，因此在閥座組件導(dǎo)入的過(guò)程中，l可能會(huì)存在扭曲或者局部產(chǎn)生變形的可能，這些潛在的問(wèn)題都會(huì)對(duì)精密密封件的密封性產(chǎn)生不可逆的影響，甚至?xí)苯邮ッ芊庑阅堋?/p>

內(nèi)嵌式SPE單活塞設(shè)計(jì)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)主要是將l的位置由套在閥座支撐圈外圓改到內(nèi)嵌閥體閥座函中。裝配時(shí)，先將前后可移動(dòng)的范圍很小，幾乎可以忽略不計(jì)。再將閥座組件導(dǎo)入閥腔，在閥座組件前后移位的過(guò)程中，只有Lip-seal內(nèi)圈和閥座支撐圈外表面形成固定的摩擦，但此摩擦相對(duì)之前的設(shè)計(jì)而言，在槽內(nèi)沒(méi)有發(fā)生前后移動(dòng)，不會(huì)輕易發(fā)生扭曲變形等問(wèn)題，也就間接保護(hù)了該零件的精密密封性能，穩(wěn)定性更高。

2.4 端的設(shè)計(jì)

和SPE端的設(shè)計(jì)類(lèi)似，低溫固定球閥的DPE端密封也是采用Lip-seal替代常溫傳統(tǒng)的O型密封圈結(jié)構(gòu)。DPE與SPE不同，也稱(chēng)之為雙活塞結(jié)構(gòu)，一般默認(rèn)設(shè)計(jì)均為閥后一側(cè)。DPE側(cè)的設(shè)計(jì)因?yàn)橐紤]閥后側(cè)的活塞效應(yīng)，以及閥腔反向密封所需要的活塞效應(yīng)，所以無(wú)法像閥前一樣做成內(nèi)溝槽封閉式結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)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(jié)構(gòu)左右兩邊為對(duì)稱(chēng)的兩個(gè)單活塞密封圈；另一種結(jié)構(gòu)為雙彈簧背靠背形式，如圖5（b）所示，這種結(jié)構(gòu)和前者不同之處是每一側(cè)的夾套上下對(duì)稱(chēng)分布著兩個(gè)彈簧，一套密封圈內(nèi)鑲嵌有四個(gè)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(duì)狹窄一點(diǎn)，在保證中腔密封比壓的時(shí)候，閥后所能提供的密封截面會(huì)小一些，所以對(duì)應(yīng)能提供的密封比壓較小，一般主要應(yīng)用在150lb~600lb之間（PN100以?xún)?nèi)），當(dāng)然這也不是絕對(duì)的，更不是標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的，僅僅是行業(yè)選用的慣用操作。圖5（b）所示的雙活塞結(jié)構(gòu)，密封截面相對(duì)更寬一些，主要常見(jiàn)寬度為8 mm、11.25 mm、12 mm（圣戈班）、14 mm四種。在設(shè)計(jì)的時(shí)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(nèi)部鑲嵌的彈簧截面更大一些。在超低溫工況下，受擠壓時(shí)才能有效保證彈簧的有效壓縮而不會(huì)屈服失效，過(guò)小的彈簧難以控制壓縮量而容易損壞。

如此一來(lái)，在核算閥座所需要的推力時(shí)，就需要注意，不能依靠O型圈的核算方法，但同時(shí)，正壓力在此處是由擠壓而形成的，也是沒(méi)辦法準(zhǔn)確量化取值的，所以此處需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)給定閥座的合理推力，這個(gè)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(kāi)始接觸低溫球閥的技術(shù)人員會(huì)經(jīng)常提到：“閥門(mén)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(wú)法推動(dòng)閥座，導(dǎo)致球口發(fā)生泄漏。這種現(xiàn)象在DPE端尤其明顯，DPE端的密封圈相對(duì)SPE端，內(nèi)嵌彈簧數(shù)量為SPE端的兩倍或四倍，相對(duì)應(yīng)的摩擦力也會(huì)呈現(xiàn)倍數(shù)形式增加，這對(duì)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。技術(shù)人員在DPE端的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮每個(gè)細(xì)節(jié)對(duì)密封產(chǎn)生的影響，保證設(shè)計(jì)的合理性以及穩(wěn)定性。

加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工制造的特點(diǎn)

低溫球閥分為低溫浮動(dòng)球閥和低溫固定球閥兩類(lèi),對(duì)于溫度高于-50℃,一般不采用長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu),對(duì)于溫度低于-50℃的球閥,頸部長(zhǎng)度T一般為250mm,低溫球閥主要用于輸出液態(tài)低溫介質(zhì)如乙烯、液氧、液氫、液氮、液氨、液態(tài)丙烷、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?時(shí)，體積膨脹數(shù)倍。

材料選型

液化天然氣閥門(mén)的材料非常重要，材質(zhì)不合格，會(huì)造成殼體及密封面的外漏或內(nèi)漏；零部件的綜合機(jī)械性能、強(qiáng)度和鋼度滿(mǎn)足不了使用要求甚至斷裂。導(dǎo)致液化天然 氣介質(zhì)泄漏引起爆炸。液化天然氣閥門(mén)的過(guò)程中，材質(zhì)是首要關(guān)鍵的問(wèn)題。閥體、閥蓋采用：LCB(-46℃)、 LC3(-101℃)、CF8（304）(-196℃).

低溫處理

我廠對(duì)所生產(chǎn)的低溫閥門(mén)經(jīng)特殊的低溫處理，將粗加工的零件置于冷卻介質(zhì)中數(shù)小時(shí)（2-6小時(shí)），以釋放應(yīng)力，確保材料的低溫性能，保證加工尺寸，以防閥門(mén)在低溫工況時(shí)，因溫度變化造成變形而導(dǎo)致的泄漏。

加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范技術(shù)規(guī)范

加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范材料及主要參數(shù)

加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范低溫球閥主要零部件材料：

加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范低溫球閥產(chǎn)品規(guī)范

低溫球閥,超低溫球閥尺寸圖:

3.加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)語(yǔ)

低溫球閥的設(shè)計(jì)總體上而言，很多是由常溫球閥演變而來(lái)的，但同時(shí)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(shè)計(jì)人員特別注意。加長(zhǎng)套的排水槽設(shè)計(jì)，能在很大程度上避免填料進(jìn)水結(jié)冰而損壞閥桿的問(wèn)題，同時(shí)也能間接降低結(jié)冰磨損而造成的開(kāi)關(guān)扭矩變大的現(xiàn)象。針對(duì)不同的開(kāi)啟方式，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整排水槽的設(shè)計(jì)方式，只要能達(dá)到相同的效果即可。填料函的復(fù)合結(jié)構(gòu)在國(guó)外已經(jīng)相對(duì)比較普及了，國(guó)內(nèi)很多都省去了Lip-seal這個(gè)環(huán)節(jié)，短期內(nèi)是可以節(jié)省成本，但是從長(zhǎng)期使用上來(lái)講，下面有這個(gè)密封圈的閥門(mén)扭矩更輕、使用壽命更長(zhǎng)，是值得普及推廣的。其次，單雙活塞的設(shè)計(jì)靈活多變，需要注意的還是摩擦力對(duì)推力形成的影響，與常溫閥門(mén)有較大的不同，所需要的推力更大，與此對(duì)應(yīng)，閥門(mén)在開(kāi)啟時(shí)，所需要的扭矩也比常溫閥門(mén)略大。加長(zhǎng)桿超低溫深冷法蘭式球閥設(shè)計(jì)規(guī)范