超低溫球閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉幫強(qiáng)

（廣東省中山市南朗鎮(zhèn)南朗工業(yè)區(qū) 哈帝（中山）閥業(yè)有限公司 528451）

摘 要：作為流體介質(zhì)存儲(chǔ)及運(yùn)輸設(shè)備的關(guān)鍵部件，超低溫球閥展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，具有極佳的應(yīng)用前景。本文從材料和結(jié)構(gòu)方面分析了球閥各個(gè)部件的性能特點(diǎn)，闡述了相關(guān)設(shè)計(jì)思路，并討論了其必要性。最后針對(duì)傳統(tǒng)球閥的缺點(diǎn)提出了球桿一體化的設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化了超低溫球閥的性能。

關(guān)鍵詞：超低溫球閥；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；球桿一體化

引言

隨著石化行業(yè)的不斷發(fā)展，易燃易爆及低溫介質(zhì)的存儲(chǔ)和運(yùn)輸越來(lái)越大型化，對(duì)流體控制閥門(mén)的性能要求也越來(lái)越高。超低溫球閥因其結(jié)構(gòu)和材料的特殊性，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如阻力小、密封可靠、噪聲小等，從而引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，為超低溫工況下閥門(mén)的研究開(kāi)辟了新的道路。那麗[1]等從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，總結(jié)了不同結(jié)構(gòu)的超低溫球閥的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和密封要求，為新型超低溫球閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)指明了方向。王新建[2]等根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，闡述了超低溫球閥各個(gè)密封模塊的相互關(guān)系，為相關(guān)研究提供了理論支持。

本文通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了球閥各個(gè)部件的材料和結(jié)構(gòu)的選擇，總結(jié)了設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后針對(duì)傳統(tǒng)球閥的缺點(diǎn)，提出了球桿一體化的新型超低溫球閥的設(shè)計(jì)方法，提高了使用性能。

1. 超低溫球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球閥的開(kāi)關(guān)閥門(mén)為帶有圓形通道的球體，環(huán)繞垂直于通道的中軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到控制通道開(kāi)關(guān)和介質(zhì)流量的目的。球體處于固定狀態(tài)，在有壓力作用時(shí)不產(chǎn)生位移。完整的球閥通常由閥體、閥蓋、滴水板、支架、閥桿以及驅(qū)動(dòng)裝置等部件組成[3]，如圖1所示為全通徑結(jié)構(gòu)的球閥示意圖。本設(shè)計(jì)閥體采用一體式結(jié)構(gòu)，和二片式以及三片式相比較，降低了球閥的泄漏點(diǎn)，下面將詳細(xì)介紹各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1.1 閥蓋設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)閥蓋必須要考慮閥腔內(nèi)流體的溫度，故采用加長(zhǎng)閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料安裝位置和閥門(mén)控制裝置遠(yuǎn)離低溫區(qū)，一方面保證閥門(mén)的填料工作在可接受的溫度范圍，減小了低溫霜凍對(duì)填料的影響，有利于閥桿及其他部件的正常運(yùn)行。另一方面避免了低溫介質(zhì)對(duì)球閥操作者的冷灼傷。此外，加長(zhǎng)閥蓋結(jié)構(gòu)在緊固螺栓時(shí)不用破壞保護(hù)層，節(jié)約了使用成本。加長(zhǎng)閥長(zhǎng)度設(shè)計(jì)受材料的導(dǎo)熱、散熱面積和系數(shù)等因素影響，通常根據(jù)美國(guó)MSS SP-134標(biāo)準(zhǔn)選擇加長(zhǎng)閥的長(zhǎng)度[4]。

通常在加長(zhǎng)閥蓋上會(huì)設(shè)置滴水板，以避免外界的冷凝水進(jìn)入保溫層，造成螺栓生銹等。同時(shí)，滴水板所在位置表示了保溫介質(zhì)對(duì)球閥保溫的最高位置。

1.2 泄壓部件及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一些介質(zhì)在高溫汽化后，體積會(huì)膨脹，若此時(shí)閥門(mén)關(guān)閉，則腔體內(nèi)壓力會(huì)急劇升高，不僅會(huì)破壞球閥各個(gè)部件的功能，還會(huì)造成閥門(mén)失效，影響整個(gè)輸送線的正常運(yùn)行。因此，一定要在閥門(mén)端口處安裝泄壓部件。通常泄壓部件的設(shè)計(jì)采用泄壓孔形式，確保腔體和管道端口的正常連通。密封結(jié)構(gòu)決定了整個(gè)閥門(mén)的質(zhì)量?jī)?yōu)劣，是整個(gè)球閥的核心部分，一般包含閥桿密封和閥座密封兩個(gè)部件。閥桿密封要滿(mǎn)足易維護(hù)、低泄漏的特性，通常根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)二道或多道密封，滿(mǎn)足ISO15848-2的B級(jí)密封標(biāo)準(zhǔn)，還可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用選擇ISO15848-1的C01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可以有效減少水滴滲入到柔性填料內(nèi)，造成器件損傷。在超低溫工況下，閥座密封主要運(yùn)用唇式密封圈，其精度較高，且對(duì)相關(guān)零件的性能要求也較為嚴(yán)格，密封效果良好。根據(jù)泄壓需要，上游閥座通常采用單向密封圈，而下游閥座通常采用雙向密封圈，應(yīng)用最多的密封圈材料為聚三氟氯乙烯（PCTFE），其擁有極佳的超低溫特增性，其性能參數(shù)如表2所示[5]。其次，增加柔性材料填充、增多密封圈數(shù)量同樣會(huì)改善球閥的密封性能。

1.3 防火及防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)溫度、壓力等因素急劇變化時(shí)，可能會(huì)發(fā)生介質(zhì)泄漏從而引發(fā)火災(zāi)，所以球閥設(shè)計(jì)必須有防火結(jié)構(gòu)。常用的防火設(shè)計(jì)是在閥蓋和閥體連接處設(shè)置密封結(jié)構(gòu)，采用柔性介質(zhì)纏繞墊片和唇式密封圈的雙通道設(shè)計(jì)，閥桿位置的密封也采用柔性介質(zhì)填充和密封圈等多種結(jié)構(gòu)共同作用。此種防火設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)是可以避免密封結(jié)構(gòu)的融化失效問(wèn)題。另外，還有采用非金屬密封墊和金屬閥座相結(jié)合的兩重防火設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)可以防止輸送介質(zhì)內(nèi)漏造成閥門(mén)損壞，但是使用成本相對(duì)較高。由于超低溫球閥的特殊性，防火設(shè)計(jì)應(yīng)該執(zhí)行API6FA或者API607防火安全標(biāo)準(zhǔn)[6]。

此外，應(yīng)用于超低溫球閥的PCTFE材料具有較強(qiáng)的靜電聚集效應(yīng)，極易產(chǎn)生靜電火花，而超低溫輸送介質(zhì)多數(shù)為易燃易爆品，所以設(shè)計(jì)防靜電結(jié)構(gòu)非常有必要。通常在和閥桿接觸的位置都要放置彈簧和鋼球，以防止球體上靜電的產(chǎn)生，確保12V直流電壓下，閥蓋和閥桿、閥蓋和球體間的電阻都不能大于10Ω。還有采用類(lèi)似避雷針的方式引導(dǎo)靜電傳輸，同樣可以防止靜電效應(yīng)。

1.4 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)閥桿和垂線成30o角時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)閥門(mén)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了在全開(kāi)以及全畢狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)超低溫球閥的自由鎖定，齒輪驅(qū)動(dòng)以及執(zhí)行器等手動(dòng)球閥裝置都應(yīng)該設(shè)置鎖定器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)不僅可以在惡劣條件下維持操作，還可以實(shí)現(xiàn)在線維修、更換等操作，為超低溫球閥的可持續(xù)利用提供了便捷。

2. 閥桿與閥體一體化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)球閥的閥桿和球體是兩個(gè)獨(dú)立的部件，雖然采用各種密封技術(shù)不斷優(yōu)化，但因應(yīng)力分布不均，很難實(shí)現(xiàn)接口的完美銜接，而且會(huì)出現(xiàn)硬化層的脫落。針對(duì)這一缺陷設(shè)計(jì)了球桿一體化球閥，即通過(guò)相關(guān)工藝使閥桿和球體焊接成一個(gè)整體，并在焊接處噴焊Ni60，提高表面耐磨性和耐蝕性。該設(shè)計(jì)對(duì)材料也有要求，通常閥桿選擇17-4PH不銹鋼，該材料抗腐蝕性強(qiáng)并且衰減性能優(yōu)異，熱處理后具有較高的硬度。球體一般選用F304不銹鋼，防銹性能好，耐高溫，具有非常強(qiáng)的抗腐蝕性能。一體化球閥避免了閥桿沖出體外的狀況，提高了閥門(mén)的可靠性和安全性，且不宜失效，是一個(gè)重要的研究方向。

3. 結(jié)束語(yǔ)

為了滿(mǎn)足液化介質(zhì)不斷擴(kuò)大的輸運(yùn)需要，超低溫球閥的性能結(jié)構(gòu)也在不斷的優(yōu)化。本文分析了超低溫球閥各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，討論了相關(guān)部件的材料選擇和執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了傳統(tǒng)球閥的缺點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了閥桿、球體一體化的超低溫球閥，優(yōu)化了球閥的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]那麗，呂赟. 超低溫球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及安裝要求[J]. 煤化工，2013，（02）：65-67.

[2]王建新，張清雙. 超低溫球閥密封要素的分析[J]. 閥門(mén)，2016，（04）：18-20.