超低温球阀阀座和阀体间密封结构设计与低温计算

一、前言

近几年随着国民生活水平的提高，液化天然气（LNG）被广泛应用，所需要的超低温专用阀门的要求也逐渐提高。超低温球阀采用上装式结构，密封材料选用非金属，常用公称尺寸NPS 1/2～24（DN 15～600），压力等级Class150～1 500。

由于工况条件特殊，属于超低温状态，因此超低温球阀需经合格结构设计，并基于低温状态装配间隙和螺栓紧固力矩计算，才能保证其具有良好的性能。

超低温球阀主要应用于液化天然气和空分行业的装置上，输出的液态介质有：液化天然气、液氧、液氢、液化乙烯、液氮以及液化石油气等。其中部分介质不但易燃易爆，且容易发生气化，气化时体积急剧膨胀，并促使压力急剧上升，如果阀门结构设计不合理，则会造成中腔积压，从而导致承压边界失效，甚至阀门开裂爆炸，造成严重伤亡事故。

二、现有阀座和阀体密封结构

1.波纹管密封结构

国外某公司的超低温球阀产品（见图1）的阀座和阀体间密封采用波纹管式加缠绕垫组合密封结构（见图2），阀座、波纹管和螺纹座三者进行密封焊连接，形成波纹管阀座组件。此组件无任何泄漏产生点，螺纹座与阀体通过螺纹连接，螺纹座后设有密封垫片，密封垫片通过螺纹紧固并达到密封垫片所需的密封比压；波纹管阀座组件上设有波纹管防旋转机构，并通过螺纹连接的方式连接在阀体上，保证了波纹管在组件旋转过程中与另外两个部件相对静止，不会因此而产生波纹管扭矩，并易于进行拆卸。

波纹管机械密封最显著的特点就是浮动性好，因而对管道的振动及球阀起闭过程中不会产生偏摆，密封性能可靠。此种结构在中低压工况经过长期使用，证明了其在超低温下的高可靠性，并具有良好的密封效果，但因为受波纹管特性及制造工艺水平影响，波纹管在大口径阀门中使用效果不佳，波纹管密封球阀最大规格仅能做到NPS 6 Class 1 500磅级，但在LNG接收站部分站点所需阀门口径达到NPS 14以上，因此这种结构无法满足大口径超低温球阀的要求。同时在高压工况下，螺纹座背部密封垫片会出现密封比压不足的情况，同时因为依靠螺纹旋紧压缩缠绕垫，缠绕垫表面容易因摩擦而破坏，形成泄漏通道，造成阀门泄漏，影响LNG管道的正常运行。

图1 波纹管密封超低温球阀

1—阀体 2—球体 3—弹簧 4—弹簧座 5—阀座组件 6—阀座密封圈 7—阀座支撑圈 8—螺纹座 9—波纹管 10—缠绕垫 11—止推垫 12—阀杆 13—滴盘

图2 波纹管阀座结构

1—阀体 2—弹簧 3—波纹管 4—阀座支撑圈 5—螺纹座 6—垫片 7—密封圈

2.泛塞密封结构

国外某公司的超低温球阀阀座与阀体间采用泛塞结构进行密封（见图3），也是目前市场运用最广的一种阀体阀座密封结构。在阀体和阀座间安装有泛塞，泛塞由唇形密封圈加弹簧组成，弹簧安装于唇口凹槽内，开口朝向高压侧，此种结构对阀座和阀体接触表面加工要求极高，必须依据其泛塞尺寸进行加工设计，表面粗糙度高且配合间隙需达到过盈效果。在安装时必须依靠外置工装来实现，拆装难度较大。由于是上装式结构，为使球体能顺利装入阀体内，阀座必须设置一定的退让空间，安装时泛塞会在此空间内产生位移，容易因此而产生磨损导致密封失效。同时此退让空间内易存在一定的水、空气，在低温下空间内容易结冰，导致阀座卡涩，影响阀门的密封效果。且通过经过多次试验验证，当介质压力逐渐升高时，由于泛塞金属表面仅能提供一道金属密封，介质会通过泛塞逐渐泄漏于中腔中。在长期使用过程中，由于是浮动式阀座结构，泛塞易在空间腔体内发生滑移，造成密封表面磨损，存在潜在的内漏风险，密封具有不确定性。

图3 泛塞结构密封超低温球阀

1—阀座 2、11—弹簧 3、10—泛塞 4—密封圈 5—阀盖 6—垫片 7—阀杆 8—阀杆 9—阀体 12—球体

三、弹簧加载多级迷宫密封结构

鉴于波纹管式密封结构和泛塞密封结构都存在潜在的泄漏风险，从某LNG接收站了解到，上述两种结构的阀门在实际使用过程中效果不甚理想，都存在内漏现象及超标。现开发出一种弹簧加载多级迷宫密封结构（见图4），将原来的泛塞进行了性能改良，安装于阀体与阀座之间，此种结构包括支撑块、V形弹簧、三组唇形密封圈和密封座。其中三组唇形密封圈分为上密封圈、中密封圈和下密封圈，中密封圈尾部固定于下密封圈开口，上密封圈尾部固定于中密封开口，三组唇形密封圈收尾相接安装于密封座上，形成一个整体。V形弹簧安装于上密封圈开口沟槽内，支撑块卡在V形弹簧上，V形弹簧可以提供一个稳定的弹力给唇形密封圈，在弹力作用下使其上下唇面紧压于金属表面。这种密封结构安装于超低温球阀阀座与阀体径向密封处，唇形密封组件开口朝向高压侧，使得压力可以张紧密封唇口，同时补充了弹簧力，增加了唇口与金属表面的接触压力。

唇形密封圈采用在低温下耐收缩性能强的材质制造，如改性聚四氟乙烯。此结构与阀体金属表面共能形成三道迷宫密封，且介质压力越高，所能提供的密封能力越强，消除了泄漏的可能性，即使因长期使用过程中第一道密封产生失效，介质逐渐从第一道密封渗透到第二道密封中，由于迷宫效应，后续压力逐渐减小，第二、第三道密封仍可在介质压力作用下与金属表面形成良好的密封，大大增强了超低温球阀在超低温工况下的密封性能。

图4 一种新型泛塞密封结构

1—支撑块 2—V形弹簧 3—上密封圈 4—中密封圈 5—下密封圈 6—密封座

四、低温计算

在超低温工况下，阀门材料会因为热胀冷缩而发生一定形变，导致阀门内部零部件尺寸发生变化，同时包括螺栓预紧力、阀杆扭转角和弹簧刚度等，下面将重点介绍基于超低温工况的几种计算方法。

1.阀杆与轴承间隙

超低温上装式球阀的阀杆与阀盖之间设有滑动轴承，轴承起到支撑阀杆、防止阀杆发生径向偏移的作用。当阀门处于超低温环境中时，因冷缩现象将导致阀杆与轴承配合尺寸缩短，导致阀杆卡涩，因此需对阀杆和轴承之间的配合间隙进行低温差修正计算。

设计图样标注的尺寸偏差与配合是以常温20℃为基准的。超低温阀门其阀杆和滑动轴承之间的间隙低温修正计算公式为

式中 xzmax、xzmin——最大与最小装配间隙，单位为 mm；

tk 、tz——孔和轴的工作温度，单位为℃；

xGmax、xGmin——最大和最小工作间隙，单位为mm；

t——装配时环境温度，单位为℃；

d——配合时的公称直径，单位为mm；

αk 、αz——孔和轴材料的线膨胀系数，单位为℃-1。

式（1）和式（2）中，负号用在温度提高孔的尺寸扩大的情况下，正号用在温度提高孔的尺寸缩小的情况下。

2.螺栓预紧力

阀体阀盖间连接螺栓是在常温下进行装配和紧固，当阀门处于超低温环境中时，紧固螺栓、螺母、垫片等零部件会发生收缩现象，由于各不同材质零部件的线膨胀系数不相同，其收缩量也会产生差异，螺栓有可能会发生松弛，导致阀门外漏情况严重。所以，在常温下紧固螺栓时，必须考虑其在低温下的影响。常温时螺栓预紧力由补偿温差所需的预紧力F1、克服内压所需要的预紧力F2和阀门工作时保证密封垫正常工作所需的预紧力F3组成。

式中 ΔL——螺栓的拉伸量，单位为mm；

L——螺栓的有效拉伸总长度（双头螺柱L=L1+L2 ，L1为两端半个螺母厚度之和，L2为上下螺母间螺柱长度），单位为mm；

E——螺栓材料的弹性模量，单位为Pa；

A1——拉伸螺栓的横截面积，单位为m2；

X——螺栓的数量；

P——取工作压力、试验压力或设计压力中的最大值，单位为MPa；

D——密封垫片的内径，单位为mm；

m——垫片系数；

D中——密封垫片的中径，单位为mm；

W——密封垫片的宽度，单位为mm；

α——螺栓线膨胀系数，单位为m/℃；

t1——工作温度（t1=-196），单位为℃；

t2——装配温度，单位为℃。

3.加长阀杆扭转角

超低温球阀阀盖需进行加长设计，以使阀门上部填料和操作机构远离阀体内的低温介质。加长阀盖应足够长以提供绝缘气柱，防止填料区域和操作机构冻结，阀杆也需要进行加长设计。在球阀进行四分之一回转运动时，加长阀杆会形成一定扭转角，需要对扭转角数值进行计算验证，以确定加长阀杆比例，在扭转载荷下，阀杆扭矩受阀杆扭转角的限制，因此也就受到了阀杆材料的临界剪切应力的限制。应如此设定阀杆直径和阀杆长度的比例。按照MSS-SP 134标准4.6.4节规定，球阀阀杆长度和阀杆直径相结合使阀杆偏转角或扭转角限制为π/90弧度（2°），扭转角根据下列等式确定。

式中 θ——扭转角；

T——杆最大设计扭矩；

L——扭矩施加点至关闭件附加装置的阀杆长度；

G——刚性模量，G=E/[2(1+μ)]，μ为泊松比；

J——阀杆惯量的极性运动。

4.弹簧刚度

弹簧刚度会因其在超低温环境下发生变化，因此在最初设计弹簧刚度时考虑其在超低温环境下的实际刚度值，并对其进行补偿计算。

式中 GT——工作温度下的切变模量，单位为MPa；

KT——温度修正系数（参考GB1239.6中表5的规定）；

G——常温下的切变模量，单位为MPa；

F'——低温下的弹簧刚度，单位为N/mm；

F——稳定性临界负荷，单位为N；

f——变形量，单位为mm；

d——材料直径，单位为mm；

D——弹簧中径，单位为mm；

n——有效圈数。

5.密封面计算

物体会由于温度改变而发生胀缩现象，单位温度变化所导致的物体长度变化常用线膨胀系数所示，在超低温工况下，阀座密封圈会出现收缩，如仍按照常温设计计算结果给定密封面宽度，会因为密封面收缩而导致低温泄漏，因此在密封面设计计算时，需根据材料线膨胀系数给密封圈高度、密封面宽度一定的收缩裕量。

式中 ΔL——材料收缩长度，即密封圈上尺寸需增加 的裕量值，单位为mm；

Δt——温差值，单位为℃；

L——原始长度，即常温计算下密封圈高度、 密封面宽度尺寸值，单位为mm；

α——材料热膨胀系数。

五、结语

弹簧加载多级迷宫密封结构超低温球阀密封性能远优于波纹管密封结构和泛塞密封结构超低温球阀，在超低温工况下具有高可靠性，且不会受阀门压力和口径影响。超低温球阀在设计时，在满足相关标准要求前提下，还必须依据实际工况条件进行合理的结构设计，应对关键零部件在低温状态下配合的间隙以及螺栓的紧固力矩进行计算，以保证阀门在超低温下工作时不出现卡阻现象，同时螺栓预紧力必须满足垫片在低温状态下的密封比压要求，从而保证超低温球阀在超低温环境中的安全、稳定运行。