超低温球阀的结构设计特点及安装要求.docx

近几年，随着石油化工的进展，特别是液化自然气(LNG)的广泛应用，对超低温工况下应用的阀门的要求也越来越高。依据相关工程设计及工艺操作安全的要求，国内外各阀门供给商始终在进展对超低温球阀在不同部位的构造设超低温球阀的构造设计特点及安装要求近几年，随着石油化工的进展，特别是液化自然气(LNG)的广泛应用，对超低温工况下 应用的阀门的要求也越来越高。依据相关工程设计及工艺操作安全的要求，国内外各阀门供 应商始终在进展对超低温球阀在不同部位的构造设计方面的争辩，并对构造设计进展相应的 改进。笔者结合在液化自然气生产的工程设计实践阅历，介绍超低温球阀的主要构造设计特 点、低温试验及安装的留意事项，以便为工程设计中类似介质的超低温阀门的选用供给参考。1 超低温球阀简述石化行业中对低温阀门的定义是依据输送介质的设计温度来定义的，一般将应用在介质温度-40以下的阀门称作低温阀，应用在介质温度-101以下的阀门称作超低温阀门。超低温球阀主要应用于液化自然气、液化石油气以及空分行业的装置上，输出的液态低 温介质有：液氧、液氢、液化自然气、液化石油产品等。这些介质不但易燃易爆，而且在升温或者闪蒸时会发生气化，气化时体积急剧膨胀，假设输送这些流体的阀门中有密闭阀腔且 构造设计不合理，则会造成阀腔超压，从而导致介质泄漏，甚至阀门开裂造成事故。2 超低温球阀主要构造的设计特点超低温球阀因其使用介质和使用环境的特别性，在构造设计上有着与其他种类阀门显著不同的特点。2.1 加长阀盖设计及滴水板设计低温阀门的阀盖均承受加长阀盖的设计。加长阀盖的设计要使阀门操作手柄和填料安装位置远离低温区，既可以避开介质的低温导致阀门操作者的冷灼伤，也可以使阀门的填料在正常的温度下工作，保证填料不会受到霜冻的侵害而导致填料断裂失效。另外，由于一般超低温阀门保冷层会比较厚，加长的阀盖也保证了保冷施工的空间，并使填料压盖位于保冷层外，添加填料及紧固压盖螺栓时，无须损坏保冷层。有的厂家在超低温球阀的加长阀盖上，承受了滴水板设计。滴水板需设置在保冷层外侧， 可以防止冷凝的水滴落到保冷层及阀体上部，保护保冷层及防止冷量流失。表1为美国阀门及管件制造商标准化协会的标准 MSSSP-134中给出的低温阀加长杆的长度。各个厂家的产品在加长阀盖的长度规定上会稍有不同，在设计时需参考选定厂家的产品尺寸。2.2 防火设计及防静电设计由于超低温球阀一般均应用在易燃易爆的介质上，防火设计及防静电设计显得尤为重 要，是超低温球阀构造的必要组成局部，不行缺少。超低温球阀的防火设计与一般球阀的设计类似，在各环节的密封上承受石墨密封圈。防静电设计承受弹簧式构造，避开静电电荷累积产生的爆炸危急。表1 低温阀加长杆长度 mm注：NPS 表示阀门公称直径DN。2.3 阀腔泄压设计及阀门的密封圈设计超低温球阀应用在易燃易爆且简洁气化的介质时，对于阀门密封构造有着特别的要求。这是由于球阀在构造上一般会有密闭阀腔，由于介质气化时体积急剧膨胀，球阀在密封构造设计上，肯定要考虑密闭阀腔的泄压要求。球阀按构造分为浮动球式及固定球式两种。由于浮动球式超低温球阀和固定球式超低温球阀的阀门密封原理不同，在泄压设计上，会有明显的区分。浮动球式球阀的密封依靠介质的压力，把球体推向下游的密封面，从而到达密封的要求。所以一般浮动球式低温球阀的密封构造为上游密封圈承受弹簧预紧式密封构造，泄压承受在 球体上钻孔的方式。由于上游介质的压力高，一般阀门的泄压方向都承受向上游泄压。弹簧 预紧式阀座可以使球体在弹簧的作用下，压向下游密封圈。这种密封构造的好处是使密封更 牢靠，同时球阀开启扭矩也会减小。球体上钻孔可以使阀腔与阀门上游相通，避开阀腔因介 质气化膨胀而局部升压。固定球式超低温球阀的密封一般是双向密封，即上下游密封圈要同时起到密封的作用。上游密封圈用单活塞式密封阀座，下游密封圈用双活塞式密封阀座。单活塞阀座的原理为单 向活塞式的作用，在密封副的设计上，考虑到因密封面两个方向作用力的差值而产生的作用 力方向的不同，从而使密封副在压力差的推动下，产生相应方向的活塞运动单活塞效应。 正常压力下前阀座单活塞密封示意图见图 1，在上游管道正常推力 P 大于反向推力 P2时1P >P ，在压力差的作用下，把密封圈压向球体，到达密封；而在阀腔压力上升时，在此12压力的作用下，推开密封圈，使阀腔里的气体泄向上游管道。图1 正常压力下前阀座单活塞密封示意图中腔泄压时前阀座单活塞密封示意图见图2，当阀门中腔有特别压力时，中腔压力大于流体压力，且压力差产生的推力满足 P3>P4+P5(P3为阀腔压力作用在图示作用面上的推力,P4为流体作用在阀座上端推力，P5为弹簧推力)，阀座在压力的推动下，离开球体，泄放压力。图2 中腔泄压时前阀座单活塞密封示意图双活塞阀座的原理与单活塞阀座的原理类似，只是在密封圈的设计上，要保证无论在下 游管道压力高于阀腔压力时，还是在阀腔压力高于下游管道压力时，密封圈都能到达密封， 从而避开阀腔气体向下游泄压并保护下游管道双活塞效应。正常压力下后阀座双活塞密 封示意图见图3，在正常压力方向，由于阀腔压力 P6小于阀座弹簧压力P7与流体压力作用在图示作用面上压力 P8之和(P6<P7+P8)，阀座在压力作用下压向球体，阻挡介质通过。存在反向压力时后阀座双活塞密封示意图见图4，当有反向压力的状况下，由于阀腔压力 P9>正向流体压力P10，阀座在压力作用下也会压向球体，阻挡介质通过。阀座的主密封件承受唇式密封Lipseal，以便确保低温时阀门的密封性能，上游阀座因阀腔泄压的需要，一般承受单向唇式密封圈，而下游阀座由于双向密封的需要，承受双向密封圈，如图1图4所示。.图3 正常压力下后阀座双活塞密封示意图图4 存在反向压力时后阀座双活塞密封示意图不过不同的厂家在单活塞阀座以及双活塞阀座的设计上，都有自己不同的特点，很多厂家也申请了设计专利，在此不一一赘述。3 超低温球阀的安装留意事项由于超低温阀门的特别构造，安装阀门时，也应考虑相应的阀门构造特点，否则将会影响阀门的使用，导致阀门失效。3.1 阀杆安装角度超低温球阀不能水平安装，即阀杆不行安装在水平方向。这是由于超低温阀加长阀盖的构造特点要求的，否则低温介质将布满阀盖的加长局部，造成阀门填料失效，并会将冷量传给阀门手柄，给操作人员带来人身损害。3.2 泄压方向如前所述，超低温球阀一般向上游方向泄压。这里要特别提出的是，这个上游方向并非始终是与管线流向相反的方向，准确地说应当是阀门关闭时的上游方向。比方，由于考虑修理而设在调整阀两端的切断阀的安装方向应当相反，两个切断阀的泄压方向均应背对调整阀的方向。这样在调整阀的修理时，两个切断阀在关闭状态时，可以分别向相连接的管道方向泄压，否则阀门阀腔中的气体将会泄向大气而造成环境污染，并产生爆炸危急。所以在安装阀门时，要特别留意阀门泄压方向的要求。阀门泄压的方向应在工艺流程图上标出，并表达在管道轴测图中。3.3 阀门枯燥要彻底由于超低温球阀阀门均在低温工况下使用，对阀门的枯燥提出了很高的要求。假设阀门 里有积水存在，在低温下水会结冰，体积膨胀，对阀门内部的部件会产生压力，导致阀门密封不严，甚至构造损坏。超低温阀门在水压试验后，要进展严格的枯燥才能出厂。通常超低 温球阀阀门在现场不做水压试验，而用气压试验代替。这是由于施工现场的条件有限，水压 试验后阀门内积水去除不完全，枯燥不彻底，影响阀门的正常使用。4 结语随着液化自然气的应用越来越广泛，对自然气管道系统安全的要求也会越来越高，对超 低温球阀构造设计还会不断地提出更高的要求。在管道系统的设计、阀门的安装及操作上要 特别留意，才能保证系统的安全运行，削减对环境的污染和危害以及对人身的损害。另外， 尽早地完善我国关于低温阀门的产品标准，也有利于提升国产阀门的质量水平，保证阀门的 安全应用。