超低温球阀的结构设计特点及安装要求

    近几年，随着石油化工的发展，特别是液化天然气(LNG)的广泛应用，对超低温工况下应用的阀门的要求也越来越高。根据相关工程设计及工艺操作安全的要求，国内外各阀门供应商一直在进行对超低温球阀在不同部位的结构设计方面的研究，并对结构设计进行相应的改进。笔者结合在液化天然气生产的工程设计实践经验，介绍超低温球阀的主要结构设计特点、低温试验及安装的注意事项，以便为工程设计中类似介质的超低温阀门的选用提供参考。

    1 超低温球阀简述

    石化行业中对低温阀门的定义是按照输送介质的设计温度来定义的，一般将应用在介质温度-40℃以下的阀门称作低温阀，应用在介质温度-101℃以下的阀门称作超低温阀门。

    超低温球阀主要应用于液化天然气、液化石油气以及空分行业的装置上，输出的液态低温介质有：液氧、液氢、液化天然气、液化石油产品等。这些介质不但易燃易爆，而且在升温或者闪蒸时会发生气化，气化时体积急剧膨胀，如果输送这些流体的阀门中有密闭阀腔且结构设计不合理，则会造成阀腔超压，从而导致介质泄漏，甚至阀门开裂造成事故。

    2 超低温球阀主要结构的设计特点

    超低温球阀因其使用介质和使用环境的特殊性，在结构设计上有着与其他种类阀门显著不同的特点。

    2.1 加长阀盖设计及滴水板设计

    低温阀门的阀盖均采用加长阀盖的设计。加长阀盖的设计要使阀门操作手柄和填料安装位置远离低温区，既可以避免介质的低温导致阀门操作者的冷灼伤，也可以使阀门的填料在正常的温度下工作，保证填料不会受到霜冻的侵害而导致填料断裂失效。另外，由于一般超低温阀门保冷层会比较厚，加长的阀盖也保证了保冷施工的空间，并使填料压盖位于保冷层外，添加填料及紧固压盖螺栓时，无须损坏保冷层。

    有的厂家在超低温球阀的加长阀盖上，采用了滴水板设计。滴水板需设置在保冷层外侧，可以防止冷凝的水滴落到保冷层及阀体上部，保护保冷层及防止冷量流失。

    表1为美国阀门及管件制造商标准化协会的标准MSSSP-134中给出的低温阀加长杆的长度。各个厂家的产品在加长阀盖的长度规定上会稍有不同，在设计时需参考选定厂家的产品尺寸。

    2.2 防火设计及防静电设计

    由于超低温球阀一般均应用在易燃易爆的介质上，防火设计及防静电设计显得尤为重要，是超低温球阀结构的必要组成部分，不可缺少。超低温球阀的防火设计与普通球阀的设计类似，在各环节的密封上采用石墨密封圈。防静电设计采用弹簧式结构，避免静电电荷累积产生的爆炸危险。    

表1 低温阀加长杆长度  mm

注：NPS表示阀门公称直径（DN）。

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    2.3 阀腔泄压设计及阀门的密封圈设计

    超低温球阀应用在易燃易爆且容易气化的介质时，对于阀门密封结构有着特殊的要求。这是因为球阀在结构上一般会有密闭阀腔，由于介质气化时体积急剧膨胀，球阀在密封结构设计上，一定要考虑密闭阀腔的泄压要求。球阀按结构分为浮动球式及固定球式两种。由于浮动球式超低温球阀和固定球式超低温球阀的阀门密封原理不同，在泄压设计上，会有明显的区别。

    浮动球式球阀的密封依靠介质的压力，把球体推向下游的密封面，从而达到密封的要求。所以一般浮动球式低温球阀的密封结构为上游密封圈采用弹簧预紧式密封结构，泄压采用在球体上钻孔的方式。由于上游介质的压力高，一般阀门的泄压方向都采用向上游泄压。弹簧预紧式阀座可以使球体在弹簧的作用下，压向下游密封圈。这种密封结构的好处是使密封更可靠，同时球阀开启扭矩也会减小。球体上钻孔可以使阀腔与阀门上游相通，避免阀腔因介质气化膨胀而局部升压。

    固定球式超低温球阀的密封一般是双向密封，即上下游密封圈要同时起到密封的作用。上游密封圈用单活塞式密封阀座，下游密封圈用双活塞式密封阀座。单活塞阀座的原理为单向活塞式的作用，在密封副的设计上，考虑到因密封面两个方向作用力的差值而产生的作用力方向的不同，从而使密封副在压力差的推动下，产生相应方向的活塞运动（单活塞效应）。正常压力下前阀座单活塞密封示意图见图1，在上游管道正常推力P₁大于反向推力P2时（P₁>P₂），在压力差的作用下，把密封圈压向球体，达到密封；而在阀腔压力升高时，在此压力的作用下，推开密封圈，使阀腔里的气体泄向上游管道。

图1 正常压力下前阀座单活塞密封示意图    

    中腔泄压时前阀座单活塞密封示意图见图2，当阀门中腔有异常压力时，中腔压力大于流体压力，且压力差产生的推力满足P3>P4+P5(P3为阀腔压力作用在图示作用面上的推力,P4为流体作用在阀座上端推力，P5为弹簧推力)，阀座在压力的推动下，离开球体，泄放压力。

图2 中腔泄压时前阀座单活塞密封示意图

    双活塞阀座的原理与单活塞阀座的原理类似，只是在密封圈的设计上，要保证无论在下游管道压力高于阀腔压力时，还是在阀腔压力高于下游管道压力时，密封圈都能达到密封，从而避免阀腔气体向下游泄压并保护下游管道（双活塞效应）。正常压力下后阀座双活塞密封示意图见图3，在正常压力方向，由于阀腔压力P6小于阀座弹簧压力P7与流体压力作用在图示作用面上压力P8之和(P6<P7+P8)，阀座在压力作用下压向球体，阻止介质通过。存在反向压力时后阀座双活塞密封示意图见图4，当有反向压力的情况下，因为阀腔压力P9>正向流体压力P10，阀座在压力作用下也会压向球体，阻止介质通过。

    阀座的主密封件采用唇式密封（Lipseal），以便确保低温时阀门的密封性能，上游阀座因阀腔泄压的需要，一般采用单向唇式密封圈，而下游阀座由于双向密封的需要，采用双向密封圈，如图1~图4所示。.

图3 正常压力下后阀座双活塞密封示意图

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图4 存在反向压力时后阀座双活塞密封示意图

    不过不同的厂家在单活塞阀座以及双活塞阀座的设计上，都有自己不同的特点，很多厂家也申请了设计专利，在此不一一赘述。    

    3 超低温球阀的安装注意事项

    因为超低温阀门的特殊结构，安装阀门时，也应考虑相应的阀门结构特点，否则将会影响阀门的使用，导致阀门失效。

    3.1 阀杆安装角度

    超低温球阀不能水平安装，即阀杆不可安装在水平方向。这是由于超低温阀加长阀盖的结构特点要求的，否则低温介质将充满阀盖的加长部分，造成阀门填料失效，并会将冷量传给阀门手柄，给操作人员带来人身伤害。

    3.2 泄压方向

    如前所述，超低温球阀一般向上游方向泄压。这里要特别提出的是，这个上游方向并非一直是与管线流向相反的方向，准确地说应该是阀门关闭时的上游方向。比如，因为考虑维修而设在调节阀两端的切断阀的安装方向应该相反，两个切断阀的泄压方向均应背对调节阀的方向。这样在调节阀的维修时，两个切断阀在关闭状态时，可以分别向相连接的管道方向泄压，否则阀门阀腔中的气体将会泄向大气而造成环境污染，并产生爆炸危险。所以在安装阀门时，要特别注意阀门泄压方向的要求。阀门泄压的方向应在工艺流程图上标出，并体现在管道轴测图中。

    3.3 阀门干燥要彻底

    由于超低温球阀阀门均在低温工况下使用，对阀门的干燥提出了很高的要求。如果阀门里有积水存在，在低温下水会结冰，体积膨胀，对阀门内部的部件会产生压力，导致阀门密封不严，甚至结构损坏。超低温阀门在水压试验后，要进行严格的干燥才能出厂。通常超低温球阀阀门在现场不做水压试验，而用气压试验代替。这是因为施工现场的条件有限，水压试验后阀门内积水去除不完全，干燥不彻底，影响阀门的正常使用。

    4 结语

    随着液化天然气的应用越来越广泛，对天然气管道系统安全的要求也会越来越高，对超低温球阀结构设计还会不断地提出更高的要求。在管道系统的设计、阀门的安装及操作上要特别注意，才能保证系统的安全运行，减少对环境的污染和危害以及对人身的伤害。另外，尽早地完善我国关于低温阀门的产品标准，也有利于提升国产阀门的质量水平，保证阀门的安全应用。