1 概述

近几十年，随着石油化工的不断发展，特别是液化天然气（LNG）项目的广泛应用，使得工程项目中对超低温管道和阀门的需求越来越多，以前都是使用国外进口的阀门。国外进口的阀门不但价格昂贵，而且技术也封锁。我们花了很多钱，却买不到好的阀门，浪费了财力，也浪费了人力。随着科学技术的不断发展，用户对超低温工况下应用的阀门的要求越来越高。国内阀门行业一直在对超低温浮动球阀在不同部位的结构设计进行研究，并对结构设计进行相应的改进，希望能够代替进口阀门，使得关键部位的阀门能够国产化。经过多年的生产制造，已经积累了丰富的经验。从设计、工艺到制造日趋成熟，并且已经开发超低温阀门的系列产品。

2 超低温浮动球阀的工作原理及使用概况

球阀的主要功能是切断或接通管道中的流体通道，即球阀通常为闭路阀。因此，球阀的作用原理很简单：借助手柄或者其他驱动装置在阀杆上端施加一定的转矩并传递给球体，使它旋转90°，球体的通孔则与阀体通道中心线重合或垂直，球阀便完成了全开或全关的动作。超低温浮动球阀主要应用于乙烯、液化天然气装置、天然气LPGLNG储罐接受基地及卫星站空分设备、石油化工尾气分离设备、液氧、液氮、液氩、二氧化碳低温储槽及槽车、变压吸附制氧等装置上。输出的介质不但易燃易爆，而且在温度升高后会气化，气化时体积膨胀数百倍，容易导致泄漏和爆炸。所以我们在生产制造超低温浮动球阀的过程中要非常小心，材料的选取和结构的设计至关重要。

3 超低温浮动球阀主要结构的设计特点

超低温浮动球阀因其使用介质和使用环境的特殊性，在结构设计上有着与其他种类阀门显著不同的特点。

3.1 加长阀杆的设计

超低温浮动球阀的阀杆均采用加长阀杆结构的设计。加长阀杆结构的设计主要是为了使阀门填料函结构远离低温区，保证填料函和压套在正常的温度下使用，以防温度太低，操作人员冻伤，同时也防止填料的密封性能降低，延长填料的使用寿命。

3.2 滴水板的设计

在加长阀杆结构上采用了滴水板设计，可以避免冷凝水气化流入隔热区域，同时能更有效地保证填料函的工作环境，从而避免了很多不良影响。

3.3 防火设计

由于超低温球阀一般均应用在易燃易爆的介质上，防火设计很重要。在阀体和阀盖连接部位采用唇形密封圈和缠绕垫片的双道密封结构，在填料函部位采用唇形密封圈和石墨填料的双道密封结构。当发生火灾时，唇形密封圈熔化失效，缠绕垫片和石墨填料起主要密封作用。江苏天域阀业制造有限公司生产的超低温浮动球阀均有防火设计，符合标准API607，并且通过了防火试验，获得了防火证书。

3.4 防静电设计

通过防静电弹簧和钢球的有效作用，使球、阀杆、阀体之间相互接触，形成导通的电路，可将阀门在开启和关闭时产生的电荷转移出来，从而避免管路系统的静电累积，增加系统的安全性。阀杆和球以及阀体之间的电阻应用不超过12V的直流电源来测量，测量应该在压力试验前的干燥阀门上进行，电阻不能超过10欧姆。

3.5 易泄漏部位的设计

阀门在使用过程中一旦出现密封失效，那么就意味着阀门的流通介质将产生泄漏。通常将阀门的泄漏分为外漏和内漏两种形式，外漏一般容易发觉，也是zui不被用户接受的泄漏（特别是有毒、有害、易燃、易爆的介质）；在阀门使用过程中内漏有时候不容易被发现，但是在化工领域有流通异种介质或者控制不同介质的流量时，阀门内漏常会给用户带来不同程度的损失和危害。

3.5.1 填料函部位的设计：填料部位的密封失效主要原因，就是填料的工作温度过低，从而导致填料函不密封，则低温气体开始通过填料函，使填料深度冷冻，填料冷冻后使渗漏量增大。我们可以通过在压板下面加一组碟形弹簧，使得填料一直保证一定的预紧力，保证填料函的初始密封。在填料函下面加上唇形密封圈，这样填料函部位就有双重密封，确保填料函部位不会发生泄漏。本公司采用的填料均为低泄漏填料，有抗热、低应力释放、低蠕变等性能。

3.5.2 体盖连接部位的设计：体盖连接部位的密封失效主要原因，由于缠绕垫片在低温情况下物理性能发生变化，垫片的体积变小和回弹性变小等，导致垫片和阀体之间的密封比压下降，甚至出现间隙，导致密封失效；我们可以通过在螺母下面增加一对放松碟簧，可以补偿由于各种原因引起的变形。在体盖连接处设计一道唇形密封圈，这样通过缠绕垫片和唇形密封圈双重密封，确保体盖部位不发生泄漏。

图1 主要密封部位结构形式

3.6 阀腔泄压及阀门的密封圈设计

超低温浮动球阀在关闭后，阀门中腔内会残留一些液体，随着时间的增加，这些残留液体会逐渐吸收环境的热量，回升至常温并且重新气化，气化后，其体积会急剧膨胀，可以增加600倍之多，因此会在中腔产生很高的压力。设计的时候必须要有预防异常升压现象产生的机构。在球体上靠近阀门上游的位置钻一个合理尺寸的泄压孔，保持上游和中腔的连通，提供阀体中腔过压保护功能。

浮动球阀的密封依靠介质的压力，把球体推向下游的密封面，从而达到密封的要求。上游采用碟形弹簧预紧式密封结构，碟形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。这种密封结构的好处是使密封更可靠，同时球阀开启扭矩也会减小。

3.7 阀杆防吹出设计

阀杆与球体是独立的设计，阀杆靠近球的一端设计成整体的T型结构，压盖法兰可以挡住T型阀杆，这样当内腔有压力推上来，靠压盖法兰和止推垫片挡住阀阀杆，防止阀盖飞出伤人和介质的泄漏。

4 结语

随着液化天然气的应用越来越广泛，对天然气管道系统安全的要求也会越来越高，对超低温浮动球阀结构设计还会不断提出更高的要求。这对国产化阀门代替进口阀门是一种机遇，也是一种挑战。我们在设计、制造过程中一定要认真学习科学技术，不断引进国外新的产品和新的设计思路，这样才能不断提高国产阀门的质量水平。