李 河 張周衛(wèi),2 汪雅紅,2 李 躍

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

超低溫閥門的縮頸技術(shù)*

李 河**1張周衛(wèi)1,2汪雅紅1,2李 躍1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

針對(duì)超低溫閥門閥蓋頸部長(zhǎng)度過長(zhǎng)和閥桿高度過高的問題，提出了彈性閥桿技術(shù)、散冷翅片技術(shù)、迷宮密封和多重密封技術(shù)，為超低溫閥門閥蓋和閥桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供技術(shù)參考。

超低溫閥門 彈性閥桿技術(shù) 散冷翅片技術(shù) 迷宮密封和多重密封技術(shù)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，液氫、液氧及液化天然氣等得到了廣泛應(yīng)用。而低溫液體的液化分餾、運(yùn)輸和儲(chǔ)存需要大量的超低溫閥門，因此超低溫閥門的應(yīng)用也越來越廣[1]。但是由于超低溫閥門使用環(huán)境溫度太低，技術(shù)條件要求比較苛刻，因此發(fā)展遇到了一些瓶頸，例如，確定超低溫閥門閥蓋頸部的長(zhǎng)度、將閥蓋頸部長(zhǎng)度和閥桿高度縮小到最短等。尤其是閥蓋頸部的長(zhǎng)度，國(guó)內(nèi)外都沒有具體的理論計(jì)算公式，技術(shù)人員大都憑借經(jīng)驗(yàn)或采用實(shí)驗(yàn)和模擬的方法確定其值[2]。

根據(jù)超低溫閥門在超低溫(-100℃以下)條件下的工作特點(diǎn)，超低溫球閥、閘閥及截止閥等為了保護(hù)填料函，使填料底部溫度保持0℃以上，防止填料函因溫度過低而凍傷。它們的閥蓋通常采用長(zhǎng)頸閥蓋的結(jié)構(gòu)形式[3]，但是隨著閥蓋頸部長(zhǎng)度的增加，閥桿長(zhǎng)度也會(huì)增加，在閥門開啟和關(guān)閉過程中，閥桿扭矩也隨之增加，其旋轉(zhuǎn)作用力也隨之加大；同時(shí)，閥門體積增大，占用空間增大，制造加工成本也會(huì)增大。為此，筆者針對(duì)超低溫閥門長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)存在的缺點(diǎn)，提出了彈性閥桿技術(shù)、散冷翅片技術(shù)、迷宮密封和多重密封技術(shù)，以縮短超低溫閥門閥桿高度和閥蓋頸部的長(zhǎng)度，從而減小超低溫閥門整體高度[4,5]。

1 彈性閥桿技術(shù)

彈性閥桿的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。彈性閥桿在超低溫工作條件下，其上閥桿與下閥桿之間有由溫差應(yīng)力產(chǎn)生的相互作用力，可以通過閥桿彈簧改變整體閥桿長(zhǎng)度的方式自適應(yīng)調(diào)節(jié)，即上下閥桿因溫差產(chǎn)生的應(yīng)力將全部卸載到彈簧上，使它們不會(huì)發(fā)生形變。在超低溫工況下，可根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，調(diào)節(jié)并校正閥桿彈簧預(yù)應(yīng)力，并在預(yù)緊狀態(tài)下安裝于閥桿上，使閥桿彈簧預(yù)應(yīng)力大于超低溫管道內(nèi)的工作壓力。設(shè)置有預(yù)應(yīng)力的可收縮彈性閥桿可根據(jù)超低溫工況下閥體的溫差應(yīng)力自由收縮，以適應(yīng)閥體的溫度變化。這不僅能夠保證密封面所需的預(yù)應(yīng)力，確保密封面不會(huì)因?yàn)榇鬁夭钭兓鴮?dǎo)致泄漏，而且還能夠降低閥桿高度，減小閥桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的扭矩。

圖1 彈性閥桿的結(jié)構(gòu)示意圖

2 散冷翅片技術(shù)

根據(jù)超低溫閥門冷量由閥體向上傳遞的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)閥門的大小，在閥蓋外設(shè)置傳熱系數(shù)較大的多重圓形散冷翅片(圖2)，以增大閥蓋頸部與環(huán)境的換熱面積，強(qiáng)化金屬壁面與周圍環(huán)境的對(duì)流換熱。當(dāng)冷量向上傳遞時(shí)經(jīng)散冷翅片散入大氣環(huán)境中，可有效阻止冷量繼續(xù)向上傳遞，確保填料函不結(jié)霜、不結(jié)冰。

圖2 散冷翅片的結(jié)構(gòu)示意圖

3 迷宮密封和多重密封技術(shù)

雖然超低溫閥門絕大部分的冷量會(huì)通過閥體向上傳遞，但是還有少部分冷量會(huì)通過閥桿向上傳遞。所以，按照迷宮密封的原理，在低溫閥桿上部開設(shè)多個(gè)節(jié)流降壓環(huán)形齒槽。當(dāng)閥門打開時(shí)，壓力較高的低溫液體經(jīng)多個(gè)環(huán)形齒槽節(jié)流連續(xù)降壓后，迅速汽化形成高壓氣體，并密封于閥門上部，與底部低溫液體的壓力達(dá)到平衡，以此抵制低溫液體直接向上滲透并接觸上部密封面，避免密封面凍壞，延長(zhǎng)密封面的使用壽命。同時(shí)，節(jié)流汽化后的氣體溫度升高后，密封于閥門上部，可降低低溫液體與閥門內(nèi)表面的傳熱速度，延緩冷量沿閥桿向上傳遞的速度，以此降低閥桿和整個(gè)閥門的高度。

此外，在閥門頂部設(shè)置多重低溫密封，并填充多重密封函，以滿足超低溫的密封要求，最大限度地降低超低溫介質(zhì)的泄漏[3]。

4 結(jié)論

4.1采用彈性閥桿技術(shù)可極大地降低超低溫閥門閥桿的高度，減小閥桿旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的扭矩。

4.2加裝散冷翅片后，增大了閥蓋頸部與環(huán)境的換熱面積，阻止了冷量的向上傳遞，減小了超低溫閥門閥蓋頸部的長(zhǎng)度。

4.3采用迷宮密封和多重密封技術(shù)可使超低溫閥門的密封性能更好，安全性能更高。

4.4將3種技術(shù)結(jié)合，可有效降低閥門的整體高度，使超低溫閥門的體積更小，結(jié)構(gòu)更精巧，更便于閥門的管理，還可以節(jié)省加工制造成本，既保留了長(zhǎng)頸閥蓋的優(yōu)點(diǎn)，也彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)。

[1] 李康,蒲亮,王國(guó)平,等.液氫低溫截止閥傳熱及應(yīng)力的模擬研究[J].低溫工程,2014,(6):12～16.

[2] 梁曉剛,陳宗華.低溫閥門設(shè)計(jì)技術(shù)研究及分析[J].化工設(shè)備與防腐蝕,2003,6(5):8～11.

[3] 陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012:1～6.

[4] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG球閥[P].中國(guó):CN201410060746.1,2014-05-14.

[5] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG截止閥[P].中國(guó):CN201410053777.4,2014-05-14.

*國(guó)家中小企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目(12C26216207017，13C26216205878)。

**李 河，男，1990年1月生，碩士研究生。甘肅省蘭州市，730070。

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0254-6094(2016)04-0530-02

2015-07-30)