超低温阀门的缩颈技术*

时间：2024-07-28

李河张周卫,2 汪雅红,2 李跃

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院；2.甘肃中远能源动力工程有限公司)

超低温阀门的缩颈技术*

李河**1张周卫1,2汪雅红1,2李跃1

(1.兰州交通大学环境与市政工程学院；2.甘肃中远能源动力工程有限公司)

针对超低温阀门阀盖颈部长度过长和阀杆高度过高的问题，提出了弹性阀杆技术、散冷翅片技术、迷宫密封和多重密封技术，为超低温阀门阀盖和阀杆的结构设计优化提供技术参考。

超低温阀门弹性阀杆技术散冷翅片技术迷宫密封和多重密封技术

随着现代工业技术的快速发展，液氢、液氧及液化天然气等得到了广泛应用。而低温液体的液化分馏、运输和储存需要大量的超低温阀门，因此超低温阀门的应用也越来越广[1]。但是由于超低温阀门使用环境温度太低，技术条件要求比较苛刻，因此发展遇到了一些瓶颈，例如，确定超低温阀门阀盖颈部的长度、将阀盖颈部长度和阀杆高度缩小到最短等。尤其是阀盖颈部的长度，国内外都没有具体的理论计算公式，技术人员大都凭借经验或采用实验和模拟的方法确定其值[2]。

根据超低温阀门在超低温(-100℃以下)条件下的工作特点，超低温球阀、闸阀及截止阀等为了保护填料函，使填料底部温度保持0℃以上，防止填料函因温度过低而冻伤。它们的阀盖通常采用长颈阀盖的结构形式[3]，但是随着阀盖颈部长度的增加，阀杆长度也会增加，在阀门开启和关闭过程中，阀杆扭矩也随之增加，其旋转作用力也随之加大；同时，阀门体积增大，占用空间增大，制造加工成本也会增大。为此，笔者针对超低温阀门长颈阀盖结构存在的缺点，提出了弹性阀杆技术、散冷翅片技术、迷宫密封和多重密封技术，以缩短超低温阀门阀杆高度和阀盖颈部的长度，从而减小超低温阀门整体高度[4,5]。

1 弹性阀杆技术

弹性阀杆的结构示意图如图1所示。弹性阀杆在超低温工作条件下，其上阀杆与下阀杆之间有由温差应力产生的相互作用力，可以通过阀杆弹簧改变整体阀杆长度的方式自适应调节，即上下阀杆因温差产生的应力将全部卸载到弹簧上，使它们不会发生形变。在超低温工况下，可根据系统的具体要求，调节并校正阀杆弹簧预应力，并在预紧状态下安装于阀杆上，使阀杆弹簧预应力大于超低温管道内的工作压力。设置有预应力的可收缩弹性阀杆可根据超低温工况下阀体的温差应力自由收缩，以适应阀体的温度变化。这不仅能够保证密封面所需的预应力，确保密封面不会因为大温差变化而导致泄漏，而且还能够降低阀杆高度，减小阀杆旋转时的扭矩。

图1 弹性阀杆的结构示意图

2 散冷翅片技术

根据超低温阀门冷量由阀体向上传递的特点，实际应用中可根据阀门的大小，在阀盖外设置传热系数较大的多重圆形散冷翅片(图2)，以增大阀盖颈部与环境的换热面积，强化金属壁面与周围环境的对流换热。当冷量向上传递时经散冷翅片散入大气环境中，可有效阻止冷量继续向上传递，确保填料函不结霜、不结冰。

图2 散冷翅片的结构示意图

3 迷宫密封和多重密封技术

虽然超低温阀门绝大部分的冷量会通过阀体向上传递，但是还有少部分冷量会通过阀杆向上传递。所以，按照迷宫密封的原理，在低温阀杆上部开设多个节流降压环形齿槽。当阀门打开时，压力较高的低温液体经多个环形齿槽节流连续降压后，迅速汽化形成高压气体，并密封于阀门上部，与底部低温液体的压力达到平衡，以此抵制低温液体直接向上渗透并接触上部密封面，避免密封面冻坏，延长密封面的使用寿命。同时，节流汽化后的气体温度升高后，密封于阀门上部，可降低低温液体与阀门内表面的传热速度，延缓冷量沿阀杆向上传递的速度，以此降低阀杆和整个阀门的高度。

此外，在阀门顶部设置多重低温密封，并填充多重密封函，以满足超低温的密封要求，最大限度地降低超低温介质的泄漏[3]。