何 俊，龐 媛，彭成武，李 超，韓龍生

(湖北泰和石化設(shè)備有限公司，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

近年來，我國石化行業(yè)發(fā)展迅速，尤其是天然氣的開發(fā)，隨著石油開采所帶來的環(huán)境問題愈發(fā)的嚴(yán)重，天然氣已經(jīng)成為我國能源消費(fèi)中的一個(gè)不可替代的角色，在人們的生產(chǎn)和生活中被廣泛使用，對社會生產(chǎn)及生活帶來了積極的影響[1]。而液化天然氣在很多情況下都更為的經(jīng)濟(jì)，其運(yùn)輸與儲存都需應(yīng)用到超低溫閥門，使得對超低溫閥門的需求與日俱增，也對超低溫閥門提出了更高的要求。我國進(jìn)入超低溫閥門領(lǐng)域時(shí)間不長，技術(shù)落后于國外，大量依賴于進(jìn)口。雖然隨著國產(chǎn)化的推進(jìn)，一些閥門生產(chǎn)企業(yè)開始涉足超低溫閥門，生產(chǎn)技術(shù)有了明顯的提高，但限于投資成本及制造技術(shù)等因素，低溫閥門的生產(chǎn)制造還是有一定的局限。

超低溫球閥由于其啟閉迅速、流體阻力小、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，在液化天然氣的運(yùn)輸和儲存過程中得到了重要的應(yīng)用。球閥按球體形式可以分為浮動球閥和固定球閥兩種，浮動球閥的球體是浮動的，球體在流道介質(zhì)壓力和初始密封力的雙重作用下，球體能向出口端產(chǎn)生一定的位移，并緊壓在出口端閥座密封面上，隔斷上游介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)密封作用；固定球閥的球體固定在閥體中，受介質(zhì)壓力作用不會在閥體內(nèi)產(chǎn)生移動，需足夠的初始密封力和介質(zhì)力使兩密封圈貼緊球面，保持密封。

浮動球閥的體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，密封性好，廣泛用于中低壓、小口徑環(huán)境中。但由于小口徑球閥流道較小，內(nèi)部加工限制多，因此常見浮動球閥結(jié)構(gòu)不多，主要有斜面式和側(cè)裝式等。這些結(jié)構(gòu)形式浮動球閥有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，基本可以適用一些常見工況，但近年隨著液化天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，對超低溫閥門提出了更高的要求，需要有一些新的結(jié)構(gòu)形式來滿足目前日愈嚴(yán)苛的工況環(huán)境。

通過對液化天然氣作業(yè)要求的分析及對常見浮動球閥結(jié)構(gòu)不足之處的研究，設(shè)計(jì)出一種新型浮動球閥結(jié)構(gòu)形式，對其密封性能、核心部件等做出分析計(jì)算，并采用三維仿真模擬。這種新型結(jié)構(gòu)解決了常見浮動球閥扭矩過重、容易卡死、拆裝困難等問題，可以更好的應(yīng)用于液化天然氣的復(fù)雜工況。

1 常見浮動球閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 斜面式浮動球閥

常見斜面式浮動球閥如圖1所示，閥體內(nèi)安裝閥座位置有一定的角度，如同“V”型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：

圖1 斜面式浮動球閥 圖2 側(cè)裝式浮動球閥

(1)閥體密封面為斜面式，裝配過程中會產(chǎn)生一定的初始密封力，可以自動調(diào)整閥座、閥體、球體之間的密封性[2]。

(2)安裝拆卸較為方便，在管道上需要維修時(shí)，只需拆下閥蓋即可進(jìn)行零部件的維修和更換，提高了閥門在管道上的使用效率。

(3)有一定的補(bǔ)償作用，一般這種結(jié)構(gòu)球閥會在球體上端安裝彈性蓄能裝置，以補(bǔ)償密封面由于腐蝕、磨損等產(chǎn)生的缺陷，保證密封性能。

斜面式球閥雖然結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠，可以滿足我們實(shí)際使用的需求，但同時(shí)，該結(jié)構(gòu)球閥也存在一定的問題：

(1)加工粗糙度難以保證，閥體斜面結(jié)構(gòu)難以在數(shù)控車床上直接加工，而用數(shù)控銑床加工又很難達(dá)到密封所需粗糙度，為了達(dá)到粗糙度要求，需要人工打磨斜面，造成不必要的人力資源浪費(fèi)。

(2)扭矩較大，為保證閥門的密封性，安裝時(shí)，閥體與閥座之間以及閥座與球體之間緊密配合，會造成較大的扭矩，且扭矩大小不便計(jì)算。

(3)在使用過程中，由于磨損、腐蝕等影響，球體會下移，造成密封失效、卡死等現(xiàn)象。

1.2 側(cè)裝式浮動球閥

圖2為側(cè)裝式浮動球閥常見結(jié)構(gòu)，側(cè)裝式浮動球閥零部件較少，生產(chǎn)加工較為容易，且便于裝卸，密封性能良好。但其安裝于管道上，難以及時(shí)進(jìn)行維修和保養(yǎng)，如果閥門出現(xiàn)了問題，即使只是需要更換中道墊片，都需將整個(gè)閥門從管線上拆除再進(jìn)行維修更換零件，造成成本的浪費(fèi)，不適宜用在長管線場合。

1.3 上裝式浮動球閥

圖3為上裝式浮動球閥常見結(jié)構(gòu)，其與斜面式浮動球閥相比較，閥體中腔與閥座配合處為豎直平面，由彈簧提供初始密封力。但其裝配和拆卸過程較為麻煩，需要工裝進(jìn)行調(diào)試，不同規(guī)格型號球閥都需準(zhǔn)備一套專用工裝，增加成本。

圖3 上裝式浮動球閥

2 一種新型超低溫浮動球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到目前常見浮動球閥結(jié)構(gòu)存在的一些弊端，構(gòu)想出一種新型的超低溫浮動球閥結(jié)構(gòu)，使其在滿足必需密封性能要求的同時(shí)，既可以實(shí)現(xiàn)在線維修功能，也可減輕加工難度，符合拆裝方便的需求。

新型超低溫浮動球閥結(jié)構(gòu)見圖4，主要由閥體、彈簧、前閥座、密封圈、球體、后閥座、唇形密封圈、墊片、纏繞墊、加長閥蓋、閥桿、滴盤、填料、填料壓蓋、定位片、手柄等組成。

圖4 新型超低溫浮動球閥結(jié)構(gòu)

閥體中腔腔壁為垂直于流道的豎直平面，在中腔兩側(cè)裝有兩楔形閥座，兩閥座與閥體接觸一面設(shè)計(jì)為豎直平面，與球體接觸一面設(shè)計(jì)為上窄下寬斜面。前閥座靠近閥體一側(cè)裝配彈簧，為閥座和球體的密封提供初始密封力；前后閥座靠近球體的一側(cè)裝配密封圈，封住閥座與球體之間的空間；后閥座與閥體之間裝配唇形密封圈，使其密封。

閥蓋與閥體通過螺栓連接，中道密封由唇形密封圈和金屬纏繞墊兩道密封結(jié)構(gòu)組成。閥桿閥蓋間的密封由唇形密封圈和填料兩道密封結(jié)構(gòu)組成，填料壓蓋與閥蓋通過螺栓連接，為防止填料在低溫工況發(fā)生收縮產(chǎn)生松動，填料壓蓋螺栓上裝配碟簧，進(jìn)行變形補(bǔ)償。閥桿上端裝配手柄，操縱手柄可控制閥門啟閉。

2.1 閥座密封

閥座密封是基于一種偏心式球體和楔形閥座結(jié)構(gòu)的構(gòu)想。主要結(jié)構(gòu)如圖5、6所示，球體為偏心結(jié)構(gòu)，即流道中心線在球體水平軸線下方，偏心距離為c，金屬閥座和閥座密封圈靠近球體一側(cè)均為斜面結(jié)構(gòu)。安裝時(shí)，由于閥座上部更窄，且與球體切面之間有a～b的間隙，所以無需特定工裝來控制兩閥座的間隙，便于安裝球體。當(dāng)閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，球體在前閥座彈簧等蓄能裝置預(yù)緊力的作用下，即與閥座密封面緊密貼合到一起，實(shí)現(xiàn)密封。這樣相對于圖1中斜面式球閥結(jié)構(gòu)，可以有效的減少啟閉扭矩，且更易裝配，無卡死等情況的發(fā)生。且這種新型浮動球閥結(jié)構(gòu)，零部件較少，都易于加工，在保證有效密封性能的同時(shí)，拆卸尤其方便，可以迅速在管線上完成保養(yǎng)和零部件的更換。

圖5 開啟狀態(tài) 圖6 關(guān)閉狀態(tài)

相比于常規(guī)側(cè)裝式浮動球閥和上裝式浮動球閥，本新型浮動球閥結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)有兩點(diǎn)需要注意：一是球體的偏心距離難以確定，若球體的偏心距離不夠，則達(dá)不到易拆卸的目的；若球體的偏心距離過大，則會引起閥門閉合時(shí)球體與密封圈分離，不能密封，且閥座的尺寸過大，造成不必要的物料浪費(fèi)；二是需要設(shè)計(jì)閥座的傾斜角度，保證閥門在開啟狀態(tài)時(shí)方便拆裝，在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)球體對閥座有一定擠壓效果，給彈簧等蓄能裝置提供預(yù)緊力。

2.1.1 球體偏心距離和閥座傾斜角度的簡單計(jì)算

球體直徑可根據(jù)介質(zhì)工作壓力P和式(1)初步確定，再根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行微調(diào)，以使球體在關(guān)閉狀態(tài)時(shí)即使有微小的角度偏差，密封圈也可完全貼合球面，完成密封。確定球體直徑后，就可開始球體偏心距離的確定和閥座傾斜角度的計(jì)算，從這種結(jié)構(gòu)形式可看出，球體偏心距離和閥座傾斜角度是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間相互配合以實(shí)現(xiàn)球體的易拆裝功能，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需綜合起來考慮這兩個(gè)因素。

(1)

式中:r為球體半徑，mm；d為流道直徑，mm;bM為密封面寬度，mm。

為了使密封圈可以封住球體，需密封圈作用于球體的比壓大于必須密封比壓，而密封比壓的計(jì)算與閥門口徑D、介質(zhì)壓力P、密封面寬度bM等有關(guān)，因此，在計(jì)算密封面比壓的過程中，已確定密封圈外徑、內(nèi)徑等尺寸，即可確定圖5中的h尺寸。假設(shè)球體偏心距離為c，如圖5所示，可知b值可由式(2)計(jì)算出，要使球體可以裝入兩閥座之間，需令c值滿足式(3)的要求，此時(shí)在裝配過程中，球體按開啟狀態(tài)可較輕松裝入閥體，球體旋轉(zhuǎn)90°，閥門在關(guān)閉狀態(tài)下，球面可與密封面貼合到一起。

(2)

(3)

但此時(shí)所求c只是計(jì)算的一個(gè)范圍，根據(jù)這個(gè)范圍，可以初步確定一個(gè)c值。由于在實(shí)際加工中，會存在一定的偏差，很難滿足球體在關(guān)閉狀態(tài)下正好與閥座密封圈緊密貼合的條件。其次，即使是理想狀況下幾乎無加工、裝配誤差，但在閥門關(guān)閉后，若想達(dá)到足夠的密封效果，還需有初始密封力，以彌補(bǔ)在初始介質(zhì)壓力很小的情況下密封比壓的不足。因此，需在前閥座上添加彈性蓄能元件，給與前閥座一定的預(yù)緊力，來提供密封起始所需的初始密封力。為了提供給閥座初始密封力，需給彈性蓄能元件一定的壓縮量，為了滿足在此種情況下球體還是可以較為輕松的裝入閥體，就需滿足式(4)的條件，此時(shí)球體在裝入閥體后，關(guān)閉時(shí)轉(zhuǎn)動球體，球體會擠壓閥座使彈性蓄能元件產(chǎn)生一定的壓縮，形成初始密封力，達(dá)到設(shè)計(jì)需要，實(shí)現(xiàn)密封。

(4)

由式(4)可得到a值的一個(gè)限制條件，此時(shí)根據(jù)需要確定a的尺寸，即確定了閥座的傾斜角度。

2.1.2 三維運(yùn)動模擬

為了驗(yàn)證球體偏心距離和閥座傾斜角度設(shè)計(jì)計(jì)算的可靠性，利用SolidWorks軟件模擬裝配球體過程，固定閥座，使球體豎直上下移動，虛擬裝配。如圖7所示，在模擬安裝球體過程中，即使球體和閥座的各尺寸滿足式(4)的要求，也不能完全無礙拆裝，有干涉現(xiàn)象產(chǎn)生，干涉發(fā)生于球體上半部分和閥座的上部分，圖8中可看出球體裝入過程的干涉變化，顯示出了最大干涉尺寸，可看出是在球體水平面上最大直徑處。干涉的產(chǎn)生是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)的過程中只是分析了過閥座中心的一個(gè)豎直對稱平面上的各點(diǎn)之間的配合，僅是在二維分析，而未考慮到球體和閥座兩側(cè)之間的配合情況。

圖7 模擬裝配

圖8 干涉數(shù)據(jù)

在設(shè)計(jì)過程中，為了保證球閥的密封作用，彈性蓄能元件有一定的壓縮量，因此只要干涉的尺寸不超過彈性蓄能元件的壓縮極限，理論上都可以進(jìn)行拆裝，不會產(chǎn)生較大影響。為了球體在拆裝過程中阻力較小，就需選擇的彈性蓄能元件有足夠的壓縮量，至少壓縮量要大于干涉尺寸。且壓縮后產(chǎn)生的預(yù)緊力可以滿足密封的要求，也不至于過大，以免增加球閥啟閉扭矩。

因此碟簧就不太滿足要求，碟簧只需較小的壓縮量就可產(chǎn)生較大的預(yù)緊力，在此不適用?？梢赃x擇幾組彈簧來作為所需彈性蓄能元件，既有足夠的壓縮量，也可產(chǎn)生所需的預(yù)緊力。

3 中道密封的設(shè)計(jì)

中道密封一般使用金屬纏繞墊，金屬纏繞墊廣泛應(yīng)用于超低溫閥門領(lǐng)域，其由金屬和各種填料交替纏繞而成，能耐超低溫、高壓等環(huán)境，通過改變墊片的材料組合，可以解決各種介質(zhì)對墊片的腐蝕[3]。在液化天然氣超低溫閥門一般使用石墨金屬纏繞墊，石墨氣液難以滲透，適用范圍廣闊。當(dāng)介質(zhì)壓力不高時(shí)可以使用如圖9(a)、(b)密封結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便；當(dāng)壓力較高時(shí)，可采用圖9(c)、(d)密封結(jié)構(gòu)，采用八角環(huán)墊密封或榫槽面密封，墊片受力均勻，對中性好，只是加工較為復(fù)雜。

圖9 中道密封結(jié)構(gòu)

介質(zhì)壓力不高、無毒、無可燃性等的情況下，只需纏繞墊一道密封即可滿足要求；若介質(zhì)壓力較高，且有毒、可燃等情況下，當(dāng)只有一道密封時(shí)，如有意外狀況發(fā)生導(dǎo)致密封失效，就易產(chǎn)生危險(xiǎn)，因此在這種情況下，一般采取兩道密封的方式，另一道密封采用唇形密封圈的形式密封，唇形密封圈的密封主要是通過介質(zhì)壓力使唇邊產(chǎn)生變形，唇邊緊貼密封面來實(shí)現(xiàn)密封作用，介質(zhì)壓力越高，唇邊與密封面之間貼合越緊密，密封效果越好，唇形密封圈中有金屬彈簧，可以提供初始密封力，滿足初始密封比壓要求，彌補(bǔ)磨耗損失。在液化天然氣行業(yè)中，超低溫閥門中道使用兩道密封更加的安全可靠。

4 閥桿密封結(jié)構(gòu)

在超低溫閥門中，閥桿密封填料一般為聚四氟乙烯或石墨，但聚四氟乙烯的膨脹系數(shù)較大，冷流現(xiàn)象嚴(yán)重，較少使用在超低溫閥門中；石墨氣液難以滲透，廣泛使用于超低溫領(lǐng)域。

在液化天然氣行業(yè)中，為了使用安全，也會使用兩道密封結(jié)構(gòu)，在填料密封之前加一道唇形圈密封，提高密封性能。

閥桿與填料配合位置，可以對閥桿進(jìn)行氮化處理，提高其表面硬度和耐磨性，提升使用壽命。

圖10 閥桿密封結(jié)構(gòu)

5 結(jié) 論

為了滿足飛快發(fā)展的液化天然氣行業(yè)需求，超低溫閥門需要不斷地優(yōu)化結(jié)構(gòu)，為行業(yè)發(fā)展提供便利。

(1)這種新型超低溫浮動球閥結(jié)構(gòu)，對比了目前常見的一些浮動球閥形式，其不僅可以可靠的實(shí)現(xiàn)密封作用，還無需工裝即可方便拆裝，方便在線維護(hù)，且零部件簡單，加工輕松。

(2)這種新型超低溫浮動球閥的難點(diǎn)在于球體偏心距離和閥座傾斜角度的設(shè)計(jì)，需要根據(jù)一定的公式來進(jìn)行計(jì)算，再結(jié)合初始密封力的需求，即可進(jìn)行確定，后再用SolidWorks軟件進(jìn)行裝配模擬，驗(yàn)算其可靠性。

(3)中道密封和閥桿密封根據(jù)介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)和壓力有不同選擇，在液化天然氣運(yùn)輸中，中道一般使用兩道密封，一道密封使用唇形密封圈，另一道密封使用金屬纏繞墊實(shí)現(xiàn)；閥桿密封也采用兩道密封結(jié)構(gòu)，一道為唇形密封圈，另一道為石墨填料。