一、前言

近幾年隨著國民生活水平的提高，液化天然氣（LNG）被廣泛應(yīng)用，所需要的超低溫專用閥門的要求也逐漸提高。磁翻板液位計采用上裝式結(jié)構(gòu)，密封材料選用非金屬，常用公稱尺寸NPS 1/2～24（DN 15～600），壓力等級Class150～1 500。

由于工況條件特殊，屬于超低溫狀態(tài)，因此磁翻板液位計需經(jīng)合格結(jié)構(gòu)設(shè)計，并基于低溫狀態(tài)裝配間隙和螺栓緊固力矩計算，才能保證其具有良好的性能。磁翻板液位計主要應(yīng)用于液化天然氣和空分行業(yè)的裝置上，輸出的液態(tài)介質(zhì)有：液化天然氣、液氧、液氫、液化乙烯、液氮以及液化石油氣等。其中部分介質(zhì)不但易燃易爆，且容易發(fā)生氣化，氣化時體積急劇膨脹，并促使壓力急劇上升，如果閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，則會造成中腔積壓，從而導(dǎo)致承壓邊界失效，甚至閥門開裂爆炸，造成嚴(yán)重傷亡事故。

二、現(xiàn)有閥座和閥體密封結(jié)構(gòu)

1.波紋管密封結(jié)構(gòu)

國外某公司的磁翻板液位計產(chǎn)品（見圖1）的閥座和閥體間密封采用波紋管式加纏繞墊組合密封結(jié)構(gòu)（見圖2），閥座、波紋管和螺紋座三者進行密封焊連接，形成波紋管閥座組件。此組件無任何泄漏產(chǎn)生點，螺紋座與閥體通過螺紋連接，螺紋座后設(shè)有密封墊片，密封墊片通過螺紋緊固并達到密封墊片所需的密封比壓；波紋管閥座組件上設(shè)有波紋管防旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，并通過螺紋連接的方式連接在閥體上，保證了波紋管在組件旋轉(zhuǎn)過程中與另外兩個部件相對靜止，不會因此而產(chǎn)生波紋管扭矩，并易于進行拆卸。

波紋管機械密封#顯著的特點就是浮動性好，因而對管道的振動及球閥起閉過程中不會產(chǎn)生偏擺，密封性能可靠。此種結(jié)構(gòu)在中低壓工況經(jīng)過長期使用，證明了其在超低溫下的高可靠性，并具有良好的密封效果，但因為受波紋管特性及制造工藝水平影響，波紋管在大口徑閥門中使用效果不佳，波紋管密封球閥#大規(guī)格僅能做到NPS 6 Class 1 500磅級，但在LNG接收站部分站點所需閥門口徑達到NPS 14以上，因此這種結(jié)構(gòu)無法滿足大口徑磁翻板液位計的要求。同時在高壓工況下，螺紋座背部密封墊片會出現(xiàn)密封比壓不足的情況，同時因為依靠螺紋旋緊壓縮纏繞墊，纏繞墊表面容易因摩擦而破壞，形成泄漏通道，造成閥門泄漏，影響LNG管道的正常運行。

2.泛塞密封結(jié)構(gòu)

國外某公司的磁翻板液位計閥座與閥體間采用泛塞結(jié)構(gòu)進行密封（見圖3），也是目前市場運用#廣的一種閥體閥座密封結(jié)構(gòu)。在閥體和閥座間安裝有泛塞，泛塞由唇形密封圈加彈簧組成，彈簧安裝于唇口凹槽內(nèi)，開口朝向高壓側(cè)，此種結(jié)構(gòu)對閥座和閥體接觸表面加工要求極高，必須依據(jù)其泛塞尺寸進行加工設(shè)計，表面粗糙度高且配合間隙需達到過盈效果。在安裝時必須依靠外置工裝來實現(xiàn)，拆裝難度較大。由于是上裝式結(jié)構(gòu)，為使球體能順利裝入閥體內(nèi)，閥座必須設(shè)置一定的退讓空間，安裝時泛塞會在此空間內(nèi)產(chǎn)生位移，容易因此而產(chǎn)生磨損導(dǎo)致密封失效。同時此退讓空間內(nèi)易存在一定的水、空氣，在低溫下空間內(nèi)容易結(jié)冰，導(dǎo)致閥座卡澀，影響閥門的密封效果。且通過經(jīng)過多次試驗驗證，當(dāng)介質(zhì)壓力逐漸升高時，由于泛塞金屬表面僅能提供一道金屬密封，介質(zhì)會通過泛塞逐漸泄漏于中腔中。在長期使用過程中，由于是浮動式閥座結(jié)構(gòu)，泛塞易在空間腔體內(nèi)發(fā)生滑移，造成密封表面磨損，存在潛在的內(nèi)漏風(fēng)險，密封具有不確定性。

三、彈簧加載多級迷宮密封結(jié)構(gòu)

鑒于波紋管式密封結(jié)構(gòu)和泛塞密封結(jié)構(gòu)都存在潛在的泄漏風(fēng)險，從某LNG接收站了解到，上述兩種結(jié)構(gòu)的閥門在實際使用過程中效果不甚理想，都存在內(nèi)漏現(xiàn)象及超標(biāo)�，F(xiàn)開發(fā)出一種彈簧加載多級迷宮密封結(jié)構(gòu)（見圖4），將原來的泛塞進行了性能改良，安裝于閥體與閥座之間，此種結(jié)構(gòu)包括支撐塊、V形彈簧、三組唇形密封圈和密封座。其中三組唇形密封圈分為上密封圈、中密封圈和下密封圈，中密封圈尾部固定于下密封圈開口，上密封圈尾部固定于中密封開口，三組唇形密封圈收尾相接安裝于密封座上，形成一個整體。V形彈簧安裝于上密封圈開口溝槽內(nèi)，支撐塊卡在V形彈簧上，V形彈簧可以提供一個穩(wěn)定的彈力給唇形密封圈，在彈力作用下使其上下唇面緊壓于金屬表面。這種密封結(jié)構(gòu)安裝于磁翻板液位計閥座與閥體徑向密封處，唇形密封組件開口朝向高壓側(cè)，使得壓力可以張緊密封唇口，同時補充了彈簧力，增加了唇口與金屬表面的接觸壓力。

唇形密封圈采用在低溫下耐收縮性能強的材質(zhì)制造，如改性聚四氟乙烯。此結(jié)構(gòu)與閥體金屬表面共能形成三道迷宮密封，且介質(zhì)壓力越高，所能提供的密封能力越強，消除了泄漏的可能性，即使因長期使用過程中地衣道密封產(chǎn)生失效，介質(zhì)逐漸從地衣道密封滲透到第二道密封中，由于迷宮效應(yīng)，后續(xù)壓力逐漸減小，第二、第三道密封仍可在介質(zhì)壓力作用下與金屬表面形成良好的密封，大大增強了磁翻板液位計在超低溫工況下的密封性能。

四、低溫計算

在超低溫工況下，閥門材料會因為熱脹冷縮而發(fā)生一定形變，導(dǎo)致閥門內(nèi)部零部件尺寸發(fā)生變化，同時包括螺栓預(yù)緊力、閥桿扭轉(zhuǎn)角和彈簧剛度等，下面將重點介紹基于超低溫工況的幾種計算方法。

1.閥桿與軸承間隙

超低溫上裝式球閥的閥桿與閥蓋之間設(shè)有滑動軸承，軸承起到支撐閥桿、防止閥桿發(fā)生徑向偏移的作用。當(dāng)閥門處于超低溫環(huán)境中時，因冷縮現(xiàn)象將導(dǎo)致閥桿與軸承配合尺寸縮短，導(dǎo)致閥桿卡澀，因此需對閥桿和軸承之間的配合間隙進行低溫差修正計算。設(shè)計圖樣標(biāo)注的尺寸偏差與配合是以常溫20℃為基準(zhǔn)的。超低溫閥門其閥桿和滑動軸承之間的間隙低溫修正計算公式為

式（1）和式（2）中，負號用在溫度提高孔的尺寸擴大的情況下，正號用在溫度提高孔的尺寸縮小的情況下。

2.螺栓預(yù)緊力

閥體閥蓋間連接螺栓是在常溫下進行裝配和緊固，當(dāng)閥門處于超低溫環(huán)境中時，緊固螺栓、螺母、墊片等零部件會發(fā)生收縮現(xiàn)象，由于各不同材質(zhì)零部件的線膨脹系數(shù)不相同，其收縮量也會產(chǎn)生差異，螺栓有可能會發(fā)生松弛，導(dǎo)致閥門外漏情況嚴(yán)重。所以，在常溫下緊固螺栓時，必須考慮其在低溫下的影響。常溫時螺栓預(yù)緊力由補償溫差所需的預(yù)緊力F 1 、克服內(nèi)壓所需要的預(yù)緊力F 2 和閥門工作時保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力F 3 組成。

3.加長閥桿扭轉(zhuǎn)角

磁翻板液位計閥蓋需進行加長設(shè)計，以使閥門上部填料和操作機構(gòu)院秒閥體內(nèi)的低溫介質(zhì)。加長閥蓋應(yīng)足夠長以提供絕緣氣柱，防止填料區(qū)域和操作機構(gòu)凍結(jié)，閥桿也需要進行加長設(shè)計。在球閥進行四分之一回轉(zhuǎn)運動時，加長閥桿會形成一定扭轉(zhuǎn)角，需要對扭轉(zhuǎn)角數(shù)值進行計算驗證，以確定加長閥桿比例，在扭轉(zhuǎn)載荷下，閥桿扭矩受閥桿扭轉(zhuǎn)角的限制，因此也就受到了閥桿材料的臨界剪切應(yīng)力的限制。應(yīng)如此設(shè)定閥桿直徑和閥桿長度的比例。按照MSS-SP 134標(biāo)準(zhǔn)

4.6.4節(jié)規(guī)定，球閥閥桿長度和閥桿直徑相結(jié)合使閥桿偏轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)角限制為π/90弧度（2°），扭轉(zhuǎn)角根據(jù)下列等式確定。

5.密封面計算

物體會由于溫度改變而發(fā)生脹縮現(xiàn)象，單位溫度變化所導(dǎo)致的物體長度變化常用線膨脹系數(shù)所示，在超低溫工況下，閥座密封圈會出現(xiàn)收縮，如仍按照常溫設(shè)計計算結(jié)果給定密封面寬度，會因為密封面收縮而導(dǎo)致低溫泄漏，因此在密封面設(shè)計計算時，需根據(jù)材料線膨脹系數(shù)給密封圈高度、密封面寬度一定的收縮裕量。

五、結(jié)語

彈簧加載多級迷宮密封結(jié)構(gòu)磁翻板液位計密封性能遠優(yōu)于波紋管密封結(jié)構(gòu)和泛塞密封結(jié)構(gòu)磁翻板液位計，在超低溫工況下具有高可靠性，且不會受閥門壓力和口徑影響。磁翻板液位計在設(shè)計時，在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求前提下，還必須依據(jù)實際工況條件進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)對關(guān)鍵零部件在低溫狀態(tài)下配合的間隙以及螺栓的緊固力矩進行計算，以保證閥門在超低溫下工作時不出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，同時螺栓預(yù)緊力必須滿足墊片在低溫狀態(tài)下的密封比壓要求，從而保證磁翻板液位計在超低溫環(huán)境中的安全、穩(wěn)定運行。