1.加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范概述

天然气作为21世纪清洁能源之一，其未来市场一直被看好。根据国际能源机构（IEA）发布的天然气中长期需求预测报告显示，到2035年全球天然气（以下简称LNG）需求总量达到5.1万亿立方米，占全球能源需求25%。超低温阀门作为服务于LNG管道输送的关键控制件，这几年的需求量也同样随着接收站的增长变得越来越大。由于LNG液化后的实际运输温度极低，达到-162℃，而阀门在工厂进行出厂测试时，只能采用模拟工况检测。很难反映出阀门的真实使用状态，所以结合现场经验，进行有针对性的优化设计就格外重要。

2.加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范典型结构

低温球阀适用于的各种管路上，用于截断或接通管路中的介质，选用不同材质，可分别适用于不同的温度和介质，工作温度为-196℃。低温球阀的驱动方式为手动、蜗轮蜗杆传动、气动或电动。低温球阀一般采用法兰,焊接,螺纹连接。

低温球阀分为低温浮动球阀和低温固定球阀两类,对于温度高于-50℃,一般不采用长颈结构,对于温度低于-50℃的球阀,颈部长度T一般为250mm,产品主要用于输出液态低温介质如空分设备、LNG、乙希、液氧、液氢、液化天然气、液化石油、二氧化碳低温贮槽及槽车、变压吸附制氧等装置上。产品等。

加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范结构特点：
1、本阀门为全通径浮动球阀、结构紧凑、造型美观、流阻系数小。
2、密封面采用氟塑料，密封副材料配对合理，使用寿命长。
3、球体与四氟阀座为紧密封结合，具备零泄漏功能，并能利用其塑性变形自动补偿因磨损带来的误差，达到密封性能好，使用寿命长的目的。为了保证阀杆处的密封，在阀体上增设了填料函和压盖进行密封。
4、可选用各种配管法兰标准及法兰密封面型式，还可选用手动、蜗轮传动、电动、气动、液动等各种驱动方式，满足用户不同需求。对低温球阀的主要零部件作低温处理并每批抽样作低温冲击试验，以保证阀门在低温工况时不脆裂，经得起低温介质冲击。

对每台阀门进行以下试验：
1.常温壳体强度试验；
2.常温低压上密封试验；
3.常温低压密封试验；
4.低温上密封气密试验（有上密封时）；
5.低温气密封试验等，以确保整台低温阀门符合标准的规定；
6.对主要零部件作低温处理并每批抽样作低温冲击试验，以保证阀门在低温工况时不脆裂，经得起低温介质冲击；
7.低温（深冷 ）阀门均按相应材料规范进行低温处理和冲击试验
8.搞静电功能更加强大，阀体与阀杆或内件与阀体间导通电阻小于1欧姆。

2.1 加长套顶部排水槽设计

为了确保低温阀门填料位置不因温度过低而导致结冰，除止回阀之外的其他类型阀门，不管是冷箱型还是非冷箱型结构，在设计时，一般均为加长阀盖（此处称作加长套）设计，其加长的高度在相关标准中都有明确的最小规定值。而在项目现场，低温介质从阀腔内流过，由于热传递的原因，阀体外侧会有正常的结霜现象，所以靠近阀体周围的环境温度相对较低，空气中的水蒸气遇冷会液化，液化后的水会顺着支架自然流下，当到达加长套的顶部时，很容易浸入到填料腔中，随着时间的推移，极有可能会导致加长套内壁结冰，从而引发阀门开关卡钝等故障。为避免这个现象，结合使用的经验，特在加长套的顶部设计若干个角度为5°左右的排水槽，如图1所示。当冷凝水流到加长套顶部的平台后，水可以顺着向下5°的斜槽顺利流出，而不会在此积聚，更不会浸入填料腔形成潜在危害。在实际设计当中，这种开设排水槽的结构大多是在口径偏大的设计中选用，因为局部开槽能够保留加长套顶部连接盘的整体强度不受影响。其次，口径偏大的阀门，顶部大多需要连接支架和执行机构，这样能够保证平面和支架或者执行机构连接时的吻合度，从而保证机械传动的稳定性。在阀门口径偏小而选用手柄开启的时候，为了节省加工的工时和减少工序，可以将向下的排水槽改成一整圈的斜端面，将原来平端面在加工的时候直接车削成向外的拔模形式，冷凝水流到平面时可以从任何一个方向流出，这样可以省去了铣削的工序，达到的效果是一样的。

2.2 填料函组合设计

由于低温阀门内所流通的介质大多数都属于高危性质，尤其像LNG这种介质，在温度上升后，体积会呈现数倍膨胀，如果发生外泄漏，容易引起强烈的火灾隐患，所以对于这种阀门而言，外漏都是不允许的，这对于动态密封的阀杆位置一直是个难点。很多生产企业都能保证产品在出厂时的密封性能，甚至低泄漏检测也能顺利通过。但阀杆作为驱动力矩的传力部件，要么做升降动作，或者做旋转动作，而且填料部位受阀门开启和关闭的影响，会导致冷媒介质的窜动，所以温度的变化相对较大，导致密封件的热胀冷缩也不稳定，这对于填料位置的长期密封性能而言，一直是个挑战。

其次，低温阀门在设计上一般均采用阀颈加长（止回阀除外），加长阀颈的高度随着使用温度越低，高度越高。一般超低温阀门阀颈加高都不低于250mm，而阀杆和加长阀颈等这些零件不可避免的会存在加工误差，所以在装配时经常会出现阀杆和填料函位置不同心的情况。在常规的设计中，都是依赖于填料垫片和填料压套的作用强制性将阀杆憋回到同心的位置，这种方式虽然从外观上看不出来任何异样，但是在实际使用的时候，阀门的开关扭矩会异常大，有时所需要的操作力甚至会超出阀杆所承受的力矩，严重影响阀门的使用寿命。针对以上几个细节问题，特提出以下设计方案，结构所示。

填料函的组合设计从下至上分别为Lip-seal主密封、一体式轴承填料垫、组合填料（一般为石墨+PTFE组合）、碟簧加载补偿。Lip-seal作为主密封，在最靠近介质压力侧，能起到主要作用。其次，在填料垫的设计上做了改进，将普通的填料垫和轴承做成T型一体式，高度符合轴承的需求，能够弥补加长阀颈位置阀杆和填料函不同心的问题，顶部T型台阶能够准确控制下面Lip-seal所需要的密封空间，可有效防止压力上窜导致Lip-seal被挤压损坏。填料作为辅助密封由两种材料组成，石墨在此处主要是防火的作用，PTFE作为辅助密封，此处不全部选用石墨作为辅助密封主要是为了降低开关扭矩。顶部的填料压盖采用碟形弹簧提供预紧力，一般均选用两对4只碟形弹簧，面对面形式安装。这种组合形式，既能保证有效的密封，也能保证阀杆和加长套的同轴度，有效控制扭矩，使用效果良好。

2.3 SPE端内嵌式封闭槽设计

固定式低温球阀的阀座密封位置与常温阀稍有不同，因为上装式低温球阀的阀座组件在安装时，整个组件是需要前后移位来腾出空间安装球体的，这必然会导致与阀座函内壁产生强制摩擦。而且在安装的过程中，由于阀座组件和阀座函之间是间隙配合，所以不能绝对保证二者同轴，因此在阀座组件导入的过程中，l可能会存在扭曲或者局部产生变形的可能，这些潜在的问题都会对精密密封件的密封性产生不可逆的影响，甚至会直接失去密封性能。

内嵌式SPE单活塞设计如图4所示，该结构主要是将l的位置由套在阀座支撑圈外圆改到内嵌阀体阀座函中。装配时，先将前后可移动的范围很小，几乎可以忽略不计。再将阀座组件导入阀腔，在阀座组件前后移位的过程中，只有Lip-seal内圈和阀座支撑圈外表面形成固定的摩擦，但此摩擦相对之前的设计而言，在槽内没有发生前后移动，不会轻易发生扭曲变形等问题，也就间接保护了该零件的精密密封性能，稳定性更高。

2.4 端的设计

和SPE端的设计类似，低温固定球阀的DPE端密封也是采用Lip-seal替代常温传统的O型密封圈结构。DPE与SPE不同，也称之为双活塞结构，一般默认设计均为阀后一侧。DPE侧的设计因为要考虑阀后侧的活塞效应，以及阀腔反向密封所需要的活塞效应，所以无法像阀前一样做成内沟槽封闭式结构。常见的DPE双活塞Lip-seal密封圈有两种形式，第一种为单弹簧背靠背形式，如图5（a）所示，这种结构左右两边为对称的两个单活塞密封圈；另一种结构为双弹簧背靠背形式，如图5（b）所示，这种结构和前者不同之处是每一侧的夹套上下对称分布着两个弹簧，一套密封圈内镶嵌有四个弹簧。二者相比较而言，单弹簧背靠背形式所需要的沟槽相对狭窄一点，在保证中腔密封比压的时候，阀后所能提供的密封截面会小一些，所以对应能提供的密封比压较小，一般主要应用在150lb~600lb之间（PN100以内），当然这也不是绝对的，更不是标准所规定的，仅仅是行业选用的惯用操作。图5（b）所示的双活塞结构，密封截面相对更宽一些，主要常见宽度为8 mm、11.25 mm、12 mm（圣戈班）、14 mm四种。在设计的时候，一般选用原则是尽可能选用宽一些的截面，这样不仅能保证正反向都能提供合适的密封比压，其次大截面具有的空间，也能保证内部镶嵌的弹簧截面更大一些。在超低温工况下，受挤压时才能有效保证弹簧的有效压缩而不会屈服失效，过小的弹簧难以控制压缩量而容易损坏。

如此一来，在核算阀座所需要的推力时，就需要注意，不能依靠O型圈的核算方法，但同时，正压力在此处是由挤压而形成的，也是没办法准确量化取值的，所以此处需要设计人员结合自己的经验来给定阀座的合理推力，这个推力包含阀座全压差工况下的密封以及在低压工况下的初始密封。很多刚开始接触低温球阀的技术人员会经常提到：“阀门在常温下密封效果很好，低温下就几乎直通了”，很多情况下其原因就是此处比压不合理，在低温下，阀座组件因零部件收缩而抱紧，常温工况下的推力根本无法推动阀座，导致球口发生泄漏。这种现象在DPE端尤其明显，DPE端的密封圈相对SPE端，内嵌弹簧数量为SPE端的两倍或四倍，相对应的摩擦力也会呈现倍数形式增加，这对设计提出了更高的要求。技术人员在DPE端的设计时，应该充分考虑每个细节对密封产生的影响，保证设计的合理性以及稳定性。

加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范结构设计及加工制造的特点

低温球阀分为低温浮动球阀和低温固定球阀两类,对于温度高于-50℃,一般不采用长颈结构,对于温度低于-50℃的球阀,颈部长度T一般为250mm,低温球阀主要用于输出液态低温介质如乙烯、液氧、液氢、液氮、液氨、液态丙烷、液化天然气、液化石油产品等，不但易燃易爆，而且在升温时要气化，气化 时，体积膨胀数倍。

材料选型

液化天然气阀门的材料非常重要，材质不合格，会造成壳体及密封面的外漏或内漏；零部件的综合机械性能、强度和钢度满足不了使用要求甚至断裂。导致液化天然 气介质泄漏引起爆炸。液化天然气阀门的过程中，材质是首要关键的问题。阀体、阀盖采用：LCB(-46℃)、 LC3(-101℃)、CF8（304）(-196℃).

低温处理

我厂对所生产的低温阀门经特殊的低温处理，将粗加工的零件置于冷却介质中数小时（2-6小时），以释放应力，确保材料的低温性能，保证加工尺寸，以防阀门在低温工况时，因温度变化造成变形而导致的泄漏。

加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范技术规范

加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范材料及主要参数

加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范低温球阀主要零部件材料：

加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范低温球阀产品规范

低温球阀,超低温球阀尺寸图:

3.加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范结语

低温球阀的设计总体上而言，很多是由常温球阀演变而来的，但同时也有很多与常温球阀不同之处，鉴于使用温度上具有很大的差异，所以在材料选择、密封形式等方面需要设计人员特别注意。加长套的排水槽设计，能在很大程度上避免填料进水结冰而损坏阀杆的问题，同时也能间接降低结冰磨损而造成的开关扭矩变大的现象。针对不同的开启方式，设计人员可以调整排水槽的设计方式，只要能达到相同的效果即可。填料函的复合结构在国外已经相对比较普及了，国内很多都省去了Lip-seal这个环节，短期内是可以节省成本，但是从长期使用上来讲，下面有这个密封圈的阀门扭矩更轻、使用寿命更长，是值得普及推广的。其次，单双活塞的设计灵活多变，需要注意的还是摩擦力对推力形成的影响，与常温阀门有较大的不同，所需要的推力更大，与此对应，阀门在开启时，所需要的扭矩也比常温阀门略大。加长杆超低温深冷法兰式球阀设计规范