球閥是以球體作為關(guān)閉件的閥門。其主要特點(diǎn)是流體阻力小、開關(guān)迅速方便、密封可靠性高、適用范圍和應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。經(jīng)過這些年新型材料出現(xiàn)、加工水平的提高，球閥被廣泛應(yīng)用。本文主要介紹在低溫及超低溫環(huán)境下球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及注意事項(xiàng)。

 

不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫閥門有不同定義，一般將 -46~-150℃稱為低溫閥門 ，-150℃以下稱為超低溫閥門。低溫閥門與通用閥門的工作環(huán)境有很大區(qū)別，在低溫球閥的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等過程除了要滿足一般球閥的要求外要注意以下幾點(diǎn)：

 

1 根據(jù)閥門較低工作溫度和工作介質(zhì)選用合適的低溫材料

a.主體（閥體、閥蓋）材料的選用。低溫碳鋼主要有 ASTMA352 LCB/ ASTM A352 LCC（ASTM A350 LF2），溫度-46℃─-0℃時(shí)選用；ASTM A352 LCC（ASTM A350 LF2），溫度-100℃─-46℃時(shí)選用。奧氏體不銹鋼主要有 ASTM A351 CF8（ASTM F182 F304）/ ASTM A351 CF8M （ASTM A182F316）/ ASTM A351 CF3（ASTM A182 F304L）/ ASTM A351CF3M（ASTM A182 F316L），溫度-196℃─-100℃時(shí)選用。為了防止材料的冷脆現(xiàn)象，通常低溫材料選擇具有良好韌性、強(qiáng)度和焊接性且耐腐蝕的不銹鋼材料。

 

b. 低溫球閥閥桿材料一般常見的有 ASTM A182 F304、

ASTM A182 F316、ASTM A182 F304L、 ASTM A182F316L、ASTM A182 FXM-19 等。

 

c.密封圈的選用。現(xiàn)階段 RTFE 與 PCTFE 可以滿足低溫球閥的需要。PCTFE 的機(jī)械強(qiáng)度和硬度優(yōu)于 RTFE，其價(jià)格也高于RTFE。

d. 低溫球閥的螺栓螺母碳鋼通常選用 ASTM A320 L7/ASTM A194 7 螺栓螺母, 不銹鋼通常選用 ASTM A320 B8 CL.2/ ASTM A194 8，ASTM A320 B8/ ASTM A194 8。在含硫化氫環(huán)境下，需要選擇抗硫化氫螺栓螺母。

 

e.其他材料的選用。填料通常選用柔性石墨、PTFE。墊片通

常選用不銹鋼纏繞墊片。軸承通常選用 304/316+PTFE。2 低溫球閥需要采用加長(zhǎng)壓蓋設(shè)計(jì)，加長(zhǎng)壓蓋尺寸參照SHELL SPE 77/200、BS6364 的要求。這樣做的目的既給管道保溫層留出足夠的空間，又使閥桿填料處于 0℃以上的密封狀態(tài)，防止閥門外漏。

 

3 低溫球閥關(guān)閉后，在閥體中的殘留低溫介質(zhì)隨著時(shí)間的增加，因溫度升高而迅速氣化，其體積會(huì)急劇膨脹，造成閥門內(nèi)部壓力迅速升高，所以體腔需要有卸壓功能�，F(xiàn)階段較常用的體腔泄壓方式是以下兩種：a. 球體的中心設(shè)計(jì)一個(gè)泄壓孔 （圖1）。閥門關(guān)閉或打開時(shí)，由于球體開孔，閥門中腔和上游介質(zhì)直接相通，杜絕了中腔超壓，但這樣造成閥門只能實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)密封功能。b.閥座設(shè)計(jì)成 DBB 自卸壓閥座（圖 2）。一旦介質(zhì)產(chǎn)生的中腔壓力超過彈簧預(yù)緊力與管道壓力之和時(shí)，閥座被中腔壓力推離球體，從而中腔產(chǎn)生的過高壓力，在閥門全關(guān)或全開位置，被自動(dòng)釋放。

4 在低溫球閥壓蓋處設(shè)計(jì)滴水板，防止空氣中的水蒸氣液化流到閥門上結(jié)冰，從而損壞閥門。

5 與低溫介質(zhì)接觸的所有金屬零件，要在粗加工后，精加工前在-196℃的液氮中進(jìn)行深冷處理，深冷處理時(shí)間一般保持在2~3 小時(shí)。

 

6 介紹幾種常規(guī)低溫球閥結(jié)構(gòu)。

 

a. 常規(guī)小口徑浮動(dòng)設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)和常規(guī)浮動(dòng)球閥差別不大，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)從閥門上游施壓，球體能產(chǎn)生一定的位移并緊壓在閥門下游的密封面上，產(chǎn)生出口端密封。低溫球閥主要是要考慮低溫環(huán)境下密封圈的收縮性，設(shè)計(jì)時(shí)密封圈的壓縮量給定要比普通浮動(dòng)球閥的大。

 

b.大口徑低溫浮動(dòng)球閥的設(shè)計(jì)。常規(guī)浮動(dòng)球閥，由于球體本身的重力直接由密封圈承受，當(dāng)球體重力過大時(shí)，密封圈的不同位置受力將嚴(yán)重不均，造成密封圈不規(guī)則變形，影響閥門密封性能。所以當(dāng)口徑大到一定程度后，不管壓力多低，都不適合常規(guī)浮動(dòng)式球閥結(jié)構(gòu)。大口徑低溫浮動(dòng)球閥的設(shè)計(jì)需要保留固定球閥中下閥桿對(duì)球的支撐，但下閥桿和球體接觸處不安裝軸承。這樣保證了球體的重量不會(huì)全部集中在密封圈上。在閥門關(guān)閉時(shí)，由于下閥桿與球體之間留有一定的間隙，當(dāng)壓力推動(dòng)球體時(shí)，球體能在閥腔里小幅度移動(dòng)，并緊壓在閥門出口端的密封面上，從而使下游閥座密封。大口徑低溫浮動(dòng)球閥的上游需要設(shè)計(jì)彈簧，既能提供足夠的預(yù)緊力，又可以抵消介質(zhì)載荷對(duì)閥座的沖擊，從而保證了密封圈的可靠密封。但是這種設(shè)計(jì)扭矩較大。

 

c.固定低溫球閥設(shè)計(jì)。常規(guī)球閥中 O 型圈有可靠的密封作用，但在低溫、超低溫環(huán)境中 O 型圈的密封性能并不可靠。Lipseal（彈簧蓄能密封圈）在低溫、超低溫環(huán)境中，不但可以像 O型圈一樣實(shí)現(xiàn)自密封，而且其密封性能隨著壓力的升高而升高。現(xiàn)階段低溫球閥主密封件必須選擇 Lipsea。這種設(shè)計(jì)和普通固定球閥類似只是把 O 型圈換成了 Lipsea。但 Lipsea 價(jià)格較貴，易損。對(duì)零件配合表面粗糙度要求較高，Lipsea 配合表面加工精度要求達(dá)到 0.1 到 0.2Ra。 安裝 Lipsea 也較麻煩，需要設(shè)計(jì)合理的安裝工裝。許多情況下客戶處于安全考慮會(huì)選擇 DBI-2 固定低溫球閥結(jié)構(gòu)，這就要求閥座一端設(shè)計(jì)為單活塞閥座，另一端設(shè)計(jì)為雙活塞閥座。出于成本考慮大多的固定低溫設(shè)計(jì)只是在閥座密封位置使用 Lipsea，其余泄露位置使用填料或纏繞石墨墊片密封。如果閥門使用工況苛刻的情況下，除閥座處使用 Lipsea 外，其余泄露位置也需要設(shè)計(jì) Lipsea，配合填料或纏繞石墨墊片一起密封。低溫球閥的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，制造工藝、低溫檢驗(yàn)、安裝方法本文不做不做詳細(xì)介紹，可以參照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過多年制造，低溫球閥技術(shù)已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計(jì)、工藝到制造日趨成熟。

 

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