1 概述

近幾十年，隨著石油化工的不斷發展，特別是液化天然氣（LNG）項目的廣泛應用，使得工程項目中對超低溫管道和閥門的需求越來越多，以前都是使用國外進口的閥門。國外進口的閥門不但價格昂貴，而且技術也封鎖。我們花了很多錢，卻買不到好的閥門，浪費了財力，也浪費了人力。隨著科學技術的不斷發展，用戶對超低溫工況下應用的閥門的要求越來越高。國內閥門行業一直在對超低溫浮動球閥在不同部位的結構設計進行研究，并對結構設計進行相應的改進，希望能夠代替進口閥門，使得關鍵部位的閥門能夠國產化。經過多年的生產制造，已經積累了豐富的經驗。從設計、工藝到制造日趨成熟，并且已經開發超低溫閥門的系列產品。

2 超低溫浮動球閥的工作原理及使用概況

球閥的主要功能是切斷或接通管道中的流體通道，即球閥通常為閉路閥。因此，球閥的作用原理很簡單：借助手柄或者其他驅動裝置在閥桿上端施加一定的轉矩并傳遞給球體，使它旋轉90°，球體的通孔則與閥體通道中心線重合或垂直，球閥便完成了全開或全關的動作。超低溫浮動球閥主要應用于乙烯、液化天然氣裝置、天然氣LPGLNG儲罐接受基地及衛星站空分設備、石油化工尾氣分離設備、液氧、液氮、液氬、二氧化碳低溫儲槽及槽車、變壓吸附制氧等裝置上。輸出的介質不但易燃易爆，而且在溫度升高后會氣化，氣化時體積膨脹數百倍，容易導致泄漏和爆炸。所以我們在生產制造超低溫浮動球閥的過程中要非常小心，材料的選取和結構的設計至關重要。

3 超低溫浮動球閥主要結構的設計特點

超低溫浮動球閥因其使用介質和使用環境的特殊性，在結構設計上有著與其他種類閥門顯著不同的特點。

3.1 加長閥桿的設計

超低溫浮動球閥的閥桿均采用加長閥桿結構的設計。加長閥桿結構的設計主要是為了使閥門填料函結構遠離低溫區，保證填料函和壓套在正常的溫度下使用，以防溫度太低，操作人員凍傷，同時也防止填料的密封性能降低，延長填料的使用壽命。

3.2 滴水板的設計

在加長閥桿結構上采用了滴水板設計，可以避免冷凝水氣化流入隔熱區域，同時能更有效地保證填料函的工作環境，從而避免了很多不良影響。

3.3 防火設計

由于超低溫球閥一般均應用在易燃易爆的介質上，防火設計很重要。在閥體和閥蓋連接部位采用唇形密封圈和纏繞墊片的雙道密封結構，在填料函部位采用唇形密封圈和石墨填料的雙道密封結構。當發生火災時，唇形密封圈熔化失效，纏繞墊片和石墨填料起主要密封作用。江蘇天域閥業制造有限公司生產的超低溫浮動球閥均有防火設計，符合標準API607，并且通過了防火試驗，獲得了防火證書。

3.4 防靜電設計

通過防靜電彈簧和鋼球的有效作用，使球、閥桿、閥體之間相互接觸，形成導通的電路，可將閥門在開啟和關閉時產生的電荷轉移出來，從而避免管路系統的靜電累積，增加系統的安全性。閥桿和球以及閥體之間的電阻應用不超過12V的直流電源來測量，測量應該在壓力試驗前的干燥閥門上進行，電阻不能超過10歐姆。

3.5 易泄漏部位的設計

閥門在使用過程中一旦出現密封失效，那么就意味著閥門的流通介質將產生泄漏。通常將閥門的泄漏分為外漏和內漏兩種形式，外漏一般容易發覺，也是zui不被用戶接受的泄漏（特別是有毒、有害、易燃、易爆的介質）；在閥門使用過程中內漏有時候不容易被發現，但是在化工領域有流通異種介質或者控制不同介質的流量時，閥門內漏常會給用戶帶來不同程度的損失和危害。

3.5.1 填料函部位的設計：填料部位的密封失效主要原因，就是填料的工作溫度過低，從而導致填料函不密封，則低溫氣體開始通過填料函，使填料深度冷凍，填料冷凍后使滲漏量增大。我們可以通過在壓板下面加一組碟形彈簧，使得填料一直保證一定的預緊力，保證填料函的初始密封。在填料函下面加上唇形密封圈，這樣填料函部位就有雙重密封，確保填料函部位不會發生泄漏。本公司采用的填料均為低泄漏填料，有抗熱、低應力釋放、低蠕變等性能。

3.5.2 體蓋連接部位的設計：體蓋連接部位的密封失效主要原因，由于纏繞墊片在低溫情況下物理性能發生變化，墊片的體積變小和回彈性變小等，導致墊片和閥體之間的密封比壓下降，甚至出現間隙，導致密封失效；我們可以通過在螺母下面增加一對放松碟簧，可以補償由于各種原因引起的變形。在體蓋連接處設計一道唇形密封圈，這樣通過纏繞墊片和唇形密封圈雙重密封，確保體蓋部位不發生泄漏。

圖1 主要密封部位結構形式

3.6 閥腔泄壓及閥門的密封圈設計

超低溫浮動球閥在關閉后，閥門中腔內會殘留一些液體，隨著時間的增加，這些殘留液體會逐漸吸收環境的熱量，回升至常溫并且重新氣化，氣化后，其體積會急劇膨脹，可以增加600倍之多，因此會在中腔產生很高的壓力。設計的時候必須要有預防異常升壓現象產生的機構。在球體上靠近閥門上游的位置鉆一個合理尺寸的泄壓孔，保持上游和中腔的連通，提供閥體中腔過壓保護功能。

浮動球閥的密封依靠介質的壓力，把球體推向下游的密封面，從而達到密封的要求。上游采用碟形彈簧預緊式密封結構，碟形彈簧預緊式閥座可以使球體在彈簧的作用下壓向下游密封圈。這種密封結構的好處是使密封更可靠，同時球閥開啟扭矩也會減小。

3.7 閥桿防吹出設計

閥桿與球體是獨立的設計，閥桿靠近球的一端設計成整體的T型結構，壓蓋法蘭可以擋住T型閥桿，這樣當內腔有壓力推上來，靠壓蓋法蘭和止推墊片擋住閥閥桿，防止閥蓋飛出傷人和介質的泄漏。

4 結語

隨著液化天然氣的應用越來越廣泛，對天然氣管道系統安全的要求也會越來越高，對超低溫浮動球閥結構設計還會不斷提出更高的要求。這對國產化閥門代替進口閥門是一種機遇，也是一種挑戰。我們在設計、制造過程中一定要認真學習科學技術，不斷引進國外新的產品和新的設計思路，這樣才能不斷提高國產閥門的質量水平。