超低温球阀的优化设计

总结了不同结构的超低温球阀的设计特点和密封要求，为新型超低温球阀的优化设计指明了方向。王新建[2]等根据设计准则，阐述了超低温球阀各个密封模块的相互关系，为相关研究提供了理论支持。

本文通过优化设计，分析了球阀各个部件的材料和结构的选择，总结了设计要点，最后针对传统球阀的缺点，提出了球杆一体化的新型超低温球阀的设计方法，提高了使用性能。

1. 超低温球阀结构设计

球阀的开关阀门为带有圆形通道的球体，环绕垂直于通道的中轴线转动，从而达到控制通道开关和介质流量的目的。球体处于固定状态，在有压力作用时不产生位移。完整的球阀通常由阀体、阀盖、滴水板、支架、阀杆以及驱动装置等部件组成[3]，如图1所示为全通径结构的球阀示意图。本设计阀体采用一体式结构，和二片式以及三片式相比较，降低了球阀的泄漏点，下面将详细介绍各部件的结构设计特点。

1.1 阀盖设计

设计阀盖必须要考虑阀腔内流体的温度，故采用加长阀盖结构，使填料安装位置和阀门控制装置远离低温区，一方面保证阀门的填料工作在可接受的温度范围，减小了低温霜冻对填料的影响，有利于阀杆及其他部件的正常运行。另一方面避免了低温介质对球阀操作者的冷灼伤。此外，加长阀盖结构在紧固螺栓时不用破坏保护层，节约了使用成本。加长阀长度设计受材料的导热、散热面积和系数等因素影响，通常根据美国MSS SP-134标准选择加长阀的长度[4]。

通常在加长阀盖上会设置滴水板，以避免外界的冷凝水进入保温层，造成螺栓生锈等。同时，滴水板所在位置表示了保温介质对球阀保温的最高位置。

1.2 泄压部件及密封结构设计

一些介质在高温汽化后，体积会膨胀，若此时阀门关闭，则腔体内压力会急剧升高，不仅会破坏球阀各个部件的功能，还会造成阀门失效，影响整个输送线的正常运行。因此，一定要在阀门端口处安装泄压部件。通常泄压部件的设计采用泄压孔形式，确保腔体和管道端口的正常连通。密封结构决定了整个阀门的质量优劣，是整个球阀的核心部分，一般包含阀杆密封和阀座密封两个部件。阀杆密封要满足易维护、低泄漏的特性，通常根据具体应用设计二道或多道密封，满足ISO15848-2的B级密封标准，还可以根据实际应用选择ISO15848-1的C01级标准，可以有效减少水滴渗入到柔性填料内，造成器件损伤。在超低温工况下，阀座密封主要运用唇式密封圈，其精度较高，且对相关零件的性能要求也较为严格，密封效果良好。根据泄压需要，上游阀座通常采用单向密封圈，而下游阀座通常采用双向密封圈，应用最多的密封圈材料为聚三氟氯乙烯（PCTFE），其拥有极佳的超低温特增性，其性能参数如表2所示[5]。其次，增加柔性材料填充、增多密封圈数量同样会改善球阀的密封性能。

1.3 防火及防静电结构设计

当温度、压力等因素急剧变化时，可能会发生介质泄漏从而引发火灾，所以球阀设计必须有防火结构。常用的防火设计是在阀盖和阀体连接处设置密封结构，采用柔性介质缠绕垫片和唇式密封圈的双通道设计，阀杆位置的密封也采用柔性介质填充和密封圈等多种结构共同作用。此种防火设计的最大特点是可以避免密封结构的融化失效问题。另外，还有采用非金属密封垫和金属阀座相结合的两重防火设计，这种结构可以防止输送介质内漏造成阀门损坏，但是使用成本相对较高。由于超低温球阀的特殊性，防火设计应该执行API6FA或者API607防火安全标准[6]。

此外，应用于超低温球阀的PCTFE材料具有较强的静电聚集效应，极易产生静电火花，而超低温输送介质多数为易燃易爆品，所以设计防静电结构非常有必要。通常在和阀杆接触的位置都要放置弹簧和钢球，以防止球体上静电的产生，确保12V直流电压下，阀盖和阀杆、阀盖和球体间的电阻都不能大于10Ω。还有采用类似避雷针的方式引导静电传输，同样可以防止静电效应。

1.4 驱动结构设计

当阀杆和垂线成30o角时，能够实现阀门的正常运转。为了在全开以及全毕状态下实现超低温球阀的自由锁定，齿轮驱动以及执行器等手动球阀装置都应该设置锁定器。执行机构不仅可以在恶劣条件下维持操作，还可以实现在线维修、更换等操作，为超低温球阀的可持续利用提供了便捷。

2. 阀杆与阀体一体化设计

传统球阀的阀杆和球体是两个独立的部件，虽然采用各种密封技术不断优化，但因应力分布不均，很难实现接口的完美衔接，而且会出现硬化层的脱落。针对这一缺陷设计了球杆一体化球阀，即通过相关工艺使阀杆和球体焊接成一个整体，并在焊接处喷焊Ni60，提高表面耐磨性和耐蚀性。该设计对材料也有要求，通常阀杆选择17-4PH不锈钢，该材料抗腐蚀性强并且衰减性能优异，热处理后具有较高的硬度。球体一般选用F304不锈钢，防锈性能好，耐高温，具有非常强的抗腐蚀性能。一体化球阀避免了阀杆冲出体外的状况，提高了阀门的可靠性和安全性，且不宜失效，是一个重要的研究方向。

3. 结束语

为了满足液化介质不断扩大的输运需要，超低温球阀的性能结构也在不断的优化。本文分析了超低温球阀各个部件的结构设计特点，讨论了相关部件的材料选择和执行标准，总结了传统球阀的缺点，并设计了阀杆、球体一体化的超低温球阀，优化了球阀的性能。

参考文献：

[1]那丽，吕赟. 超低温球阀的结构设计特点及安装要求[J]. 煤化工，2013，（02）：65-67.

[2]王建新，张清双. 超低温球阀密封要素的分析[J]. 阀门，2016，（04）：18-20.