介紹了液化天然氣用超低溫高壓球閥撥叉自復(fù)位式閥座的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，論述了密封圈材料VESPEL SP21的性能，分析了閥體中腔自泄壓方法。

1、概述

　　隨著液化天然氣( LNG) 技術(shù)的快速發(fā)展，對超低溫高壓球閥( 簡稱球閥———下同) 性能提出了越來越高的要求。球閥主要用于低溫和超低溫管路系統(tǒng)中，接通或截斷管路中工作介質(zhì)的流動，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)升高所帶來的啟閉扭矩增大的問題。

　　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圓柱螺旋壓縮彈簧提供，該力恢復(fù)并補(bǔ)償長期開關(guān)閥門導(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) ，閥門拆卸檢修時將帶凹槽的調(diào)整墊轉(zhuǎn)動到閥座突出部位，閥座凸臺嵌入調(diào)整墊凹槽內(nèi)，使閥座脫離球體，即可方便球體從閥門中法蘭處取出，避免了安裝、維修時彈簧壓縮行程過大，對彈簧預(yù)緊力產(chǎn)生影響。

圖1 超低溫高壓球閥

　　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，采用了金屬對非金屬組合密封副，即閥座采用金屬材料，密封圈采用VESPEL SP21 材料。VESPEL SP21 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，VESPEL SP21 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，VESPEL SP21 硬度較低，容易出現(xiàn)擦傷和劃痕，使閥門出現(xiàn)泄漏。另外，VESPEL SP21 價格高，其成本是PCTFE 的幾倍。

圖2 撥叉自復(fù)位式閥座

表1 VESPEL SP21 的力學(xué)性能

3、自泄壓結(jié)構(gòu)

　　LNG氣化后體積將擴(kuò)大為原來的600 多倍，存在異常升壓的問題。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為當(dāng)閥門關(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，使閥門不能正常工作，所以在LNG 超低溫環(huán)境下的閥門都需要設(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泄壓式閥座。上游密封是指閥門使用時靠上游閥座起密封作用，當(dāng)管道內(nèi)為低壓力或無壓力時，通過閥座背面設(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。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為當(dāng)管道內(nèi)為正壓力時，通過介質(zhì)壓力將上游閥座推向球面形成密封。當(dāng)閥門中腔壓力升高至工作壓力的1.33 倍時，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，閥座克服彈簧預(yù)緊力，推開閥座，使之與球體產(chǎn)生間隙，內(nèi)腔過載壓力自動泄放到上游管線中。

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上下游同時起密封作用，又同時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

　　對小于或等于200mm 口徑的閥門，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，下游為雙隔離雙向密封結(jié)構(gòu)，無法泄壓。上游因?yàn)檫x擇單向密封彈簧蓄能圈，無法形成活塞效應(yīng)，當(dāng)壓力繼續(xù)升高至一定壓力時，則可通過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，從而減少閥門加工、裝配和維修的難度，并且可以降低閥門的扭矩。

圖6 利用彈簧圈泄壓

　　3.3、泄壓裝置

　　對大于200mm 以上球閥，采用設(shè)置自動泄壓裝置解決閥腔內(nèi)部壓力升高的問題。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對環(huán)境和安全等造成影響。根據(jù)工藝管道要求，在球體上安裝一個具有單向?qū)�通功能的自動泄放閥向上、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，球體上的自動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，沿B向的作用力克服泄放閥彈簧預(yù)緊力，推開泄放閥內(nèi)件，使泄放閥打開，形成一個泄放孔，從而泄放掉閥腔內(nèi)部的壓力，使閥門可以安全正常工作。

圖7 球體上設(shè)置泄壓閥

4、結(jié)語

　　超低溫高壓球閥開關(guān)迅速，密封安全可靠，可在線維修，拆卸簡單迅速，方便快捷，保證了系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，減少了對環(huán)境的污染和危害。