詳述了超低溫球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)：采用加長(zhǎng)閥蓋設(shè)計(jì)及滴水板設(shè)計(jì)、防火及防靜電設(shè)計(jì)、閥腔泄壓閥門密封圈的設(shè)計(jì)等。同時(shí)針對(duì)閥門密封圈的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了單活塞密封和雙活塞密封型式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及密封原理。并介紹了閥門安裝注意事項(xiàng)，如閥門安裝角度的要求、閥門泄壓的方向要求等。
近幾年，隨著石油化工的發(fā)展，特別是液化天然氣(LNG)的廣泛應(yīng)用，對(duì)超低溫工況下應(yīng)用的閥門的要求也越來(lái)越高。根據(jù)相關(guān)工程設(shè)計(jì)及工藝操作安全的要求，國(guó)內(nèi)外各閥門供應(yīng)商一直在進(jìn)行對(duì)超低溫球閥在不同部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究，并對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。筆者結(jié)合在液化天然氣生產(chǎn)的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹超低溫球閥的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、低溫試驗(yàn)及安裝的注意事項(xiàng)，以便為工程設(shè)計(jì)中類似介質(zhì)的超低溫閥門的選用提供參考。
1、超低溫球閥簡(jiǎn)述
石化行業(yè)中對(duì)低溫閥門的定義是按照輸送介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度來(lái)定義的，一般將應(yīng)用在介質(zhì)溫度-40 ℃以下的閥門稱作低溫閥，應(yīng)用在介質(zhì)溫度-101 ℃以下的閥門稱作超低溫閥門。
超低溫球閥主要應(yīng)用于液化天然氣、液化石油氣以及空分行業(yè)的裝置上，輸出的液態(tài)低溫介質(zhì)有：液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產(chǎn)品等。這些介質(zhì)不但易燃易爆，而且在升溫或者閃蒸時(shí)會(huì)發(fā)生氣化，氣化時(shí)體積急劇膨脹，如果輸送這些流體的閥門中有密閉閥腔且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)造成閥腔超壓，從而導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，甚至閥門開裂造成事故。
2、超低溫球閥主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
超低溫球閥因其使用介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有著與其他種類閥門顯著不同的特點(diǎn)。
2.1、加長(zhǎng)閥蓋設(shè)計(jì)及滴水板設(shè)計(jì)
低溫閥門的閥蓋均采用加長(zhǎng)閥蓋的設(shè)計(jì)。加長(zhǎng)閥蓋的設(shè)計(jì)要使閥門操作手柄和填料安裝位置遠(yuǎn)離低溫區(qū)，既可以避免介質(zhì)的低溫導(dǎo)致閥門操作者的冷灼傷，也可以使閥門的填料在正常的溫度下工作，保證填料不會(huì)受到霜凍的侵害而導(dǎo)致填料斷裂失效。另外，由于一般超低溫閥門保冷層會(huì)比較厚，加長(zhǎng)的閥蓋也保證了保冷施工的空間，并使填料壓蓋位于保冷層外，添加填料及緊固壓蓋螺栓時(shí)，無(wú)須損壞保冷層。有的廠家在超低溫球閥的加長(zhǎng)閥蓋上，采用了滴水板設(shè)計(jì)。滴水板需設(shè)置在保冷層外側(cè)，可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部，保護(hù)保冷層及防止冷量流失。
表1 為美國(guó)閥門及管件制造商標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)MSS SP-134 中給出的低溫閥加長(zhǎng)桿的長(zhǎng)度。各個(gè)廠家的產(chǎn)品在加長(zhǎng)閥蓋的長(zhǎng)度規(guī)定上會(huì)稍有不同，在設(shè)計(jì)時(shí)需參考選定廠家的產(chǎn)品尺寸。
2.2、防火設(shè)計(jì)及防靜電設(shè)計(jì)
由于超低溫球閥一般均應(yīng)用在易燃易爆的介質(zhì)上，防火設(shè)計(jì)及防靜電設(shè)計(jì)顯得尤為重要，是超低溫球閥結(jié)構(gòu)的必要組成部分，不可缺少。超低溫球閥的防火設(shè)計(jì)與普通球閥的設(shè)計(jì)類似，在各環(huán)節(jié)的密封上采用石墨密封圈。防靜電設(shè)計(jì)采用彈簧式結(jié)構(gòu)，避免靜電電荷累積產(chǎn)生的爆炸危險(xiǎn)。
表1 低溫閥加長(zhǎng)桿長(zhǎng)度mm
2.3、閥腔泄壓設(shè)計(jì)及閥門的密封圈設(shè)計(jì)
超低溫球閥應(yīng)用在易燃易爆且容易氣化的介質(zhì)時(shí)，對(duì)于閥門密封結(jié)構(gòu)有著特殊的要求。這是因?yàn)榍蜷y在結(jié)構(gòu)上一般會(huì)有密閉閥腔，由于介質(zhì)氣化時(shí)體積急劇膨脹，球閥在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，一定要考慮密閉閥腔的泄壓要求。球閥按結(jié)構(gòu)分為浮動(dòng)球式及固定球式兩種。由于浮動(dòng)球式超低溫球閥和固定球式超低溫球閥的閥門密封原理不同，在泄壓設(shè)計(jì)上，會(huì)有明顯的區(qū)別。
浮動(dòng)球式球閥的密封依靠介質(zhì)的壓力，把球體推向下游的密封面，從而達(dá)到密封的要求。所以一般浮動(dòng)球式低溫球閥的密封結(jié)構(gòu)為上游密封圈采用彈簧預(yù)緊式密封結(jié)構(gòu)，泄壓采用在球體上鉆孔的方式。由于上游介質(zhì)的壓力高，一般閥門的泄壓方向都采用向上游泄壓。彈簧預(yù)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(jié)構(gòu)的好處是使密封更可靠，同時(shí)球閥開啟扭矩也會(huì)減小。球體上鉆孔可以使閥腔與閥門上游相通，避免閥腔因介質(zhì)氣化膨脹而局部升壓。
固定球式超低溫球閥的密封一般是雙向密封，即上下游密封圈要同時(shí)起到密封的作用。上游密封圈用單活塞式密封閥座，下游密封圈用雙活塞式密封閥座。單活塞閥座的原理為單向活塞式的作用，在密封副的設(shè)計(jì)上，考慮到因密封面兩個(gè)方向作用力的差值而產(chǎn)生的作用力方向的不同，從而使密封副在壓力差的推動(dòng)下，產(chǎn)生相應(yīng)方向的活塞運(yùn)動(dòng)(單活塞效應(yīng))。
正常壓力下前閥座單活塞密封示意圖見圖1，在上游管道正常推力P1 大于反向推力P2 時(shí)(P1>P2)，在壓力差的作用下，把密封圈壓向球體，達(dá)到密封;而在閥腔壓力升高時(shí)，在此壓力的作用下，推開密封圈，使閥腔里的氣體泄向上游管道。
圖1 正常壓力下前閥座單活塞密封示意圖
中腔泄壓時(shí)前閥座單活塞密封示意圖見圖2，當(dāng)閥門中腔有異常壓力時(shí)，中腔壓力大于流體壓力，且壓力差產(chǎn)生的推力滿足P3>P4+P5(P3 為閥腔壓力作用在圖示作用面上的推力,P4 為流體作用在閥座上端推力，P5 為彈簧推力)，閥座在壓力的推動(dòng)下，離開球體，泄放壓力。
圖2 中腔泄壓時(shí)前閥座單活塞密封示意圖
雙活塞閥座的原理與單活塞閥座的原理類似，只是在密封圈的設(shè)計(jì)上，要保證無(wú)論在下游管道壓力高于閥腔壓力時(shí)，還是在閥腔壓力高于下游管道壓力時(shí)，密封圈都能達(dá)到密封，從而避免閥腔氣體向下游泄壓并保護(hù)下游管道(雙活塞效應(yīng))。正常壓力下后閥座雙活塞密封示意圖見圖3，在正常壓力方向，由于閥腔壓力P6 小于閥座彈簧壓力P7 與流體壓力作用在圖示作用面上壓力P8 之和(P6
閥座的主密封件采用唇式密封(Lipseal)，以便確保低溫時(shí)閥門的密封性能，上游閥座因閥腔泄壓的需要，一般采用單向唇式密封圈，而下游閥座由于雙向密封的需要，采用雙向密封圈，如圖1~圖4所示。不過不同的廠家在單活塞閥座以及雙活塞閥座的設(shè)計(jì)上，都有自己不同的特點(diǎn)，很多廠家也申請(qǐng)了設(shè)計(jì)專利，在此不一一贅述。
圖3 正常壓力下后閥座雙活塞密封示意圖
圖4 存在反向壓力時(shí)后閥座雙活塞密封示意圖
3、超低溫球閥的安裝注意事項(xiàng)
因?yàn)槌蜏亻y門的特殊結(jié)構(gòu)，安裝閥門時(shí)，也應(yīng)考慮相應(yīng)的閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，否則將會(huì)影響閥門的使用，導(dǎo)致閥門失效。
3.1、閥桿安裝角度
超低溫球閥不能水平安裝，即閥桿不可安裝在水平方向。這是由于超低溫閥加長(zhǎng)閥蓋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)要求的，否則低溫介質(zhì)將充滿閥蓋的加長(zhǎng)部分，造成閥門填料失效，并會(huì)將冷量傳給閥門手柄，給操作人員帶來(lái)人身傷害。
3.2、泄壓方向
如前所述，超低溫球閥一般向上游方向泄壓。這里要特別提出的是，這個(gè)上游方向并非一直是與管線流向相反的方向，準(zhǔn)確地說(shuō)應(yīng)該是閥門關(guān)閉時(shí)的上游方向。比如，因?yàn)榭紤]維修而設(shè)在調(diào)節(jié)閥兩端的切斷閥的安裝方向應(yīng)該相反，兩個(gè)切斷閥的泄壓方向均應(yīng)背對(duì)調(diào)節(jié)閥的方向。這樣在調(diào)節(jié)閥的維修時(shí)，兩個(gè)切斷閥在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，可以分別向相連接的管道方向泄壓，否則閥門閥腔中的氣體將會(huì)泄向大氣而造成環(huán)境污染，并產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)。所以在安裝閥門時(shí)，要特別注意閥門泄壓方向的要求。閥門泄壓的方向應(yīng)在工藝流程圖上標(biāo)出，并體現(xiàn)在管道軸測(cè)圖中。
3.3、閥門干燥要徹底
由于超低溫球閥閥門均在低溫工況下使用，對(duì)閥門的干燥提出了很高的要求。如果閥門里有積水存在，在低溫下水會(huì)結(jié)冰，體積膨脹，對(duì)閥門內(nèi)部的部件會(huì)產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致閥門密封不嚴(yán)，甚至結(jié)構(gòu)損壞。超低溫閥門在水壓試驗(yàn)后，要進(jìn)行嚴(yán)格的干燥才能出廠。通常超低溫球閥閥門在現(xiàn)場(chǎng)不做水壓試驗(yàn)，而用氣壓試驗(yàn)代替。這是因?yàn)槭┕がF(xiàn)場(chǎng)的條件有限，水壓試驗(yàn)后閥門內(nèi)積水去除不完全，干燥不徹底，影響閥門的正常使用。
4、結(jié)語(yǔ)
隨著液化天然氣的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，對(duì)天然氣管道系統(tǒng)安全的要求也會(huì)越來(lái)越高，對(duì)超低溫球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還會(huì)不斷地提出更高的要求。在管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、閥門的安裝及操作上要特別注意，才能保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，減少對(duì)環(huán)境的污染和危害以及對(duì)人身的傷害。另外，盡早地完善我國(guó)關(guān)于低溫閥門的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，也有利于提升國(guó)產(chǎn)閥門的質(zhì)量水平，保證閥門的安全應(yīng)用。