超低温高压球阀阀座与自泄压结构设计

　　介绍了液化天然气用超低温高压球阀拨叉自复位式阀座的结构特点，论述了密封圈材料VESPEL SP21的性能，分析了阀体中腔自泄压方法。

1、概述

　　随着液化天然气( LNG) 技术的快速发展，对超低温高压球阀( 简称球阀———下同) 性能提出了越来越高的要求。球阀主要用于低温和超低温管路系统中，接通或截断管路中工作介质的流动，从而能保证管路系统的正常运行。本文主要探讨球阀阀座和阀体中腔泄压结构的特点。

2、结构特点

　　球阀采用上装固定球结构(图1) ，以降低在-196 ℃超低温环境下由于材料热膨胀性变化而导致摩擦系数升高所带来的启闭扭矩增大的问题。

　　2.1、拨叉自复位式阀座

　　阀座密封预紧力由安放在弹簧保持架中施压于阀座肩部的多个圆柱螺旋压缩弹簧提供，该力恢复并补偿长期开关阀门导致的密封面磨损及阀体内部的高低温热力变化，保证密封的可靠性。阀座为拨叉自复位式(图2) ，阀门拆卸检修时将带凹槽的调整垫转动到阀座突出部位，阀座凸台嵌入调整垫凹槽内，使阀座脱离球体，即可方便球体从阀门中法兰处取出，避免了安装、维修时弹簧压缩行程过大，对弹簧预紧力产生影响。

图1 超低温高压球阀

　　2.2、密封圈

　　在-196℃低温状态下，由于非金属材料韧性好，弹性大，密封所需比压较小，采用了金属对非金属组合密封副，即阀座采用金属材料，密封圈采用VESPEL SP21 材料。VESPEL SP21 热膨胀性较小，渗透性、熔点和熔融粘度、摩擦系数和水-汽渗透率较低，不渗透任何气体，为不助燃的密封聚合物。在LNG -196℃高压输送管路中，VESPEL SP21 不发生脆裂，不蠕变，弹性和韧性较好，与PCTFE 相比能承受更高载荷，其耐低温性、耐磨损性、抗变形能力好，使其在高压力低温环境下更容易密封(表1) 。但是，VESPEL SP21 硬度较低，容易出现擦伤和划痕，使阀门出现泄漏。另外，VESPEL SP21 价格高，其成本是PCTFE 的几倍。

图2 拨叉自复位式阀座

表1 VESPEL SP21 的力学性能

3、自泄压结构

　　LNG气化后体积将扩大为原来的600 多倍，存在异常升压的问题。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为当阀门关闭后，残留在阀体腔内的LNG 从周围环境中大量吸收热量迅速气化，在阀体内产生很高的压强，从而破坏球体及阀座组件，使阀门不能正常工作，所以在LNG 超低温环境下的阀门都需要设置泄压结构，以防止腔体内异常升压。

　　3.1、自泄压式阀座

　　自泄压阀座(图3) 又称为上游密封自动泄压式阀座。上游密封是指阀门使用时靠上游阀座起密封作用，当管道内为低压力或无压力时，通过阀座背面设置的弹簧提供初始密封预紧力从而保证在此状态下的密封性能。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为当管道内为正压力时，通过介质压力将上游阀座推向球面形成密封。当阀门中腔压力升高至工作压力的1.33 倍时，中腔压力反推阀座，压缩预紧弹簧，是阀座脱离球面形成泄放通道，从而保证中腔压力顺利泄放(图4) ，不会出现不稳定介质在阀腔内发生化学变化或相态变化而引起的异常升压，避免中腔压力异常升压带来的安全隐患。

图3 自泄压阀座

　　由于受压面积A4 > A3，当阀腔压力增至1.33倍工作压力时，阀座克服弹簧预紧力，推开阀座，使之与球体产生间隙，内腔过载压力自动泄放到上游管线中。

图4 泄压

　　下游阀座( 图5) 是双密封阀座，其结构使阀座紧贴球面达到密封。此结构既能保证阀座在工作时上下游同时起密封作用，又同时具备防止中腔升压向上游泄放功能。在管道压力下受压面积A1 > A2，阀门中腔压力下受压面积A3 > A4，阀座始终紧贴球面达到密封。

图5 双密封阀座

　　3.2、单泄放式弹簧蓄能圈

　　对小于或等于200mm 口径的阀门，可以利用弹簧蓄能圈单向密封的特点，使阀腔泄压( 图6) 。球阀关闭，中腔压力升高时，下游为双隔离双向密封结构，无法泄压。上游因为选择单向密封弹簧蓄能圈，无法形成活塞效应，当压力继续升高至一定压力时，则可通过弹簧蓄能圈的背面泄漏至管道而完成泄压功能。利用弹簧蓄能圈背面泄压，可以使上下游阀座尺寸、密封件尺寸、活塞径向尺寸一致，从而减少阀门加工、装配和维修的难度，并且可以降低阀门的扭矩。

图6 利用弹簧圈泄压

　　3.3、泄压装置

　　对大于200mm 以上球阀，采用设置自动泄压装置解决阀腔内部压力升高的问题。大多数常规球阀一般选择在阀体上增设泄放阀释放阀腔内部的压力。但是LNG 用球阀由于其使用在超低温工况环境下，如果向外界释放压力则会对环境和安全等造成影响。根据工艺管道要求，在球体上安装一个具有单向导通功能的自动泄放阀向上、下游管道释放阀腔压力( 图7) 。当球体沿A 方向受管道压力时，球体上的自动泄放阀由于受到自身弹簧预紧力和介质作用力的作用使内件关闭，处于密封状态。当阀腔受外界影响，发生压力改变，球体受到沿B 方向作用的阀腔作用力，当异常达到一定压力时，沿B向的作用力克服泄放阀弹簧预紧力，推开泄放阀内件，使泄放阀打开，形成一个泄放孔，从而泄放掉阀腔内部的压力，使阀门可以安全正常工作。

图7 球体上设置泄压阀

4、结语

　　超低温高压球阀开关迅速，密封安全可靠，可在线维修，拆卸简单迅速，方便快捷，保证了系统的安全可靠运行，减少了对环境的污染和危害。