LNG液化天燃氣低溫球閥選型分析

 LNG 主要成分為甲烷、乙烷、丙烷以及少量氮氣，它是一種無色、無味和無腐蝕性的低溫液體，密度比空氣小，安全性比較高，燃燒后二氧化硫和粉塵排放量幾乎為零，因此作為一種清潔能源被廣泛使用。由于它分子量小、黏度低、滲透性強等性質，易于泄漏和擴散，因此在 LNG 的生產、運輸以及接收過程中，用于切斷、止回和調節的閥門對系統的安全可靠運行具有至關重要的作用。由閥桿帶動，并繞球閥軸線作旋轉運動的閥門，亦可用于流體的調節與控制，其中硬密封V型球閥其V型球芯與堆焊硬質合金的金屬閥座之間具有很強的剪切力，特別適用于含纖維、微小固體顆料等的介質，而多通球閥在管道上不僅可靈活控制介質的合流、分流、及流向的切換，同時也可關閉任一通道而使另外兩個通道相連，本類閥門在管道中一般應當水平安裝，球閥按照驅動方式分為：氣動球閥，電動球閥，手動球閥，但是該現有技術對于目前的球閥來說，需要將其拼接好，才能使用，但是使用時間一長等等原因，都較為容易導致其球閥泄漏。

 由于球閥的結構簡單、可靠性高、壽命長而且開關迅速，尤其是相比于其他類型的閥門具有流動阻力小的優點，因此被廣泛應用 。由于 LNG 的球閥在低溫環境下工作，對其密封性能有較高的要求。球閥密封性能是決定其質量優劣的重要指標，因此對低溫球閥密封結構研究一直是本領域的重點和熱點。
本文總結了目前應用于 LNG 低溫球閥不同類型的密封結構，分析了每種結構的特點，并提出了優化改進的建議。

LNG液化天燃氣低溫球閥選型分析不同密封結構
    低溫球閥的主要結構有閥座組件、閥體、球體和閥桿組件等。球閥中的密封結構主要包含三個部分 ：閥桿填料處的密封，閥體連接處的密封以及閥體內部閥座與球體之間的密封。這幾處的密封性能好壞在一定程度上決定了球閥能否正常工作，只有在同時保證其密封良好的狀態下，才能實現球閥的正常工作 。目前，按照密封結構形式的不同，LNG低溫球閥主要有浮動式、固定式和軌道式。

1.浮動式球閥密封結構
    浮動式球閥的球體被兩閥座夾持其中呈“浮動”狀態。當球閥關閉時，在流動介質的作用下，使球體緊緊壓在出口端的閥座密封圈上，提出在超低溫浮動球閥中，閥桿填料函部位的密封通過閥桿填料加唇形密封圈的方式來進行雙重密封，首先利用放置在閥桿填料底部唇形密封圈形成的密封副達到初級密封 ；再利用壓緊的閥桿填料形成第二重密封，壓緊填料的螺栓處放置的碟形彈簧能夠提供持續的預緊力。而球體與閥座之間是在流體介質力的作用下，使球體緊貼出口端的閥座密封面，確保了球體與閥座之間的密封。入口端密封面采用碟形彈簧預緊式密封結構，用蝶形彈簧來保證球體對出口端密封面的壓緊作用。

    浮動式球閥主要應用于口徑較小和壓力較低的工作條件下，而它大部分采用上述這種彈性密封結構，這種密封結構的好處是依靠較大的預緊力使得密封更加可靠，同時球閥較小的開啟扭矩有效地減少了球體的磨損，但是如果用硬密封材料制作的彈簧作為補償，容易產生磨損導致維修成本高，這可以通過采用碟形彈簧加軟密封圈的軟硬組合式密封的方法來改善，即在閥體與閥座之間加密封圈來保證閥門關閉時在介質力的作用下閥芯與閥座的密封，減小閥芯的位移。下游密封座處僅依靠介質壓力不能*保證其密封的可靠性，同時由于介質壓力對下游閥座密封圈的壓緊作用，使得其在工作中承受一定的介質載荷，可能會發生變形，因此這種密封方式的許用工作壓力不能太大，導致其無法應用在任意場合。

2  LNG液化天燃氣低溫球閥選型分析固定式球閥的密封結構
    固定式球閥通常應用于壓力較高的工作條件下或者是公稱通徑較大的管線上，它的球體由上下軸支承，球體不會偏離上下軸的軸線，閥座是浮動的，在介質壓力作用下，推向球體產生密封力以獲得可靠密封，與浮動式球閥相比，更加減小了球閥的啟閉扭矩。

目前被廣泛使用的一種固定球閥的閥座形式為其上、下游閥座均為單活塞效應的自泄壓閥座 。當閥腔壓力較高時，上游閥座可以被推動而向上游泄壓。當閥腔壓力異常升高很多時，下游閥座也起到泄壓作用，同時向下游流道泄壓。這種閥座應用于對密封性能要求不是特別高的場合。

提出采用上述的自動泄壓式閥座，但同時在閥桿處設計了一種多重密封結構，以免在進行水壓試驗時，填料內有水進入影響密封效果。同時在填料壓板的螺栓連接處設置有碟形彈簧，用來補償溫度發生變化時帶來的影響，保證密封良好 。這種結構的優點是具有自泄壓功能，采用上裝式，相比于分體式球閥有很多突出優點，例如當需要維修時，只需將閥蓋拆下就能取出球體和閥座，方便快捷，彌補了傳統球閥一旦安裝上，若發生故障，需要維修時，就要從管路上拆卸下來的不便 。閥體與閥蓋之間的密封不是沿管道方向，因此不會受到管道中介質力的作用。閥門開關迅速，保證了系統安全可靠運行。由于具有雙活塞效應的閥座很難實現其雙活塞密封的功能，因此要解決這方面的技術問題。

提出了一種波紋管密封上裝式固定球球閥，其密封座處采用螺紋導向套結構。而波紋管的兩端分別與閥座和螺紋導向套進行焊接。該螺紋導向套的端面設計成有兩到三個螺紋孔，在此處通過螺釘來調整閥座處的位移，這樣能夠方便地將球體從閥體頂部放入閥體內，。這種密封結構有效地改善了原本上裝式球閥結構的局限性、不可靠性以及閥門的內漏等缺陷。但是由于波紋管若使用單層結構則強度不夠，容易破損 ；而如果采用多層結構，成本也會隨之增加，所以一直沒有被大量使用。

3 軌道式球閥密封補償結構
    軌道式球閥是利用凸輪機構原理來控制閥門的開啟和關閉，而且啟閉過程無摩擦，所以大部分閥門配置小手輪即可，在任何工況下都能保證很好的密封，特別是在低溫狀態下，復雜結構的各部件都會產生一定的變形 。目前，軌道式球閥廣泛應用于石油、天然氣、化工等行業。

提出了一種可用于超低溫工況的軌道式球閥密封補償結構。它將閥桿設計為兩段式，在閥桿上下兩段之間布置了彈性件，通過彈性件來補償在工作過程中由于溫度變化帶來的密封結構變形量。其工作原理為 ：在關閉閥門時，閥芯在閥桿機械施壓下緊緊地擠壓在閥座上，此時彈性件也蓄有一定的彈性能量 ；在這種狀態下，當溫度變化引起密封壓力發生變化時，彈性件在能量的驅使下推動下端閥桿進行移動，補償溫差導致的變形，從而可以確保閥門一直處于良好的密封狀態 ；當逆時針轉動手輪時，閥桿向上運動，其底部角形平面使閥芯偏離閥座，閥門開啟。

    這種密封結構不僅僅消除了閥座的摩擦，解決了傳統球閥的閥座磨損問題，還彌補了因溫差對密封壓力造成的影響，能進行實時補償，密封可靠性得到了大大的提高，結構簡單，也可以設計成頂裝式，維修拆卸方便，因而得到了大量應用。