一、前言

近幾年隨著(zhù)國民生活水平的提高，液化天然氣（LNG）被廣泛應用，所需要的超低溫專(zhuān)用閥門(mén)的要求也逐漸提高。磁翻板液位計采用上裝式結構，密封材料選用非金屬，常用公稱(chēng)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)合格結構設計，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(shí)體積急劇膨脹，并促使壓力急劇上升，如果閥門(mén)結構設計不合理，則會(huì )造成中腔積壓，從而導致承壓邊界失效，甚至閥門(mén)開(kāi)裂爆炸，造成嚴重傷亡事故。

二、現有閥座和閥體密封結構

1.波紋管密封結構

國外某公司的磁翻板液位計產(chǎn)品（見(jiàn)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構（見(jiàn)圖2），閥座、波紋管和螺紋座三者進(jìn)行密封焊連接，形成波紋管閥座組件。此組件無(wú)任何泄漏產(chǎn)生點(diǎn)，螺紋座與閥體通過(guò)螺紋連接，螺紋座后設有密封墊片，密封墊片通過(guò)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有波紋管防旋轉機構，并通過(guò)螺紋連接的方式連接在閥體上，保證了波紋管在組件旋轉過(guò)程中與另外兩個(gè)部件相對靜止，不會(huì )因此而產(chǎn)生波紋管扭矩，并易于進(jìn)行拆卸。

波紋管機械密封#顯著(zhù)的特點(diǎn)就是浮動(dòng)性好，因而對管道的振動(dòng)及球閥起閉過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生偏擺，密封性能可靠。此種結構在中低壓工況經(jīng)過(guò)長(cháng)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(mén)中使用效果不佳，波紋管密封球閥#大規格僅能做到NPS 6 Class 1 500磅級，但在LNG接收站部分站點(diǎn)所需閥門(mén)口徑達到NPS 14以上，因此這種結構無(wú)法滿(mǎn)足大口徑磁翻板液位計的要求。同時(shí)在高壓工況下，螺紋座背部密封墊片會(huì )出現密封比壓不足的情況，同時(shí)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(mén)泄漏，影響LNG管道的正常運行。

2.泛塞密封結構

國外某公司的磁翻板液位計閥座與閥體間采用泛塞結構進(jìn)行密封（見(jiàn)圖3），也是目前市場(chǎng)運用#廣的一種閥體閥座密封結構。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，開(kāi)口朝向高壓側，此種結構對閥座和閥體接觸表面加工要求極高，必須依據其泛塞尺寸進(jìn)行加工設計，表面粗糙度高且配合間隙需達到過(guò)盈效果。在安裝時(shí)必須依靠外置工裝來(lái)實(shí)現，拆裝難度較大。由于是上裝式結構，為使球體能順利裝入閥體內，閥座必須設置一定的退讓空間，安裝時(shí)泛塞會(huì )在此空間內產(chǎn)生位移，容易因此而產(chǎn)生磨損導致密封失效。同時(shí)此退讓空間內易存在一定的水、空氣，在低溫下空間內容易結冰，導致閥座卡澀，影響閥門(mén)的密封效果。且通過(guò)經(jīng)過(guò)多次試驗驗證，當介質(zhì)壓力逐漸升高時(shí)，由于泛塞金屬表面僅能提供一道金屬密封，介質(zhì)會(huì )通過(guò)泛塞逐漸泄漏于中腔中。在長(cháng)期使用過(guò)程中，由于是浮動(dòng)式閥座結構，泛塞易在空間腔體內發(fā)生滑移，造成密封表面磨損，存在潛在的內漏風(fēng)險，密封具有不確定性。

三、彈簧加載多級迷宮密封結構

鑒于波紋管式密封結構和泛塞密封結構都存在潛在的泄漏風(fēng)險，從某LNG接收站了解到，上述兩種結構的閥門(mén)在實(shí)際使用過(guò)程中效果不甚理想，都存在內漏現象及超標�，F開(kāi)發(fā)出一種彈簧加載多級迷宮密封結構（見(jiàn)圖4），將原來(lái)的泛塞進(jìn)行了性能改良，安裝于閥體與閥座之間，此種結構包括支撐塊、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(kāi)口，上密封圈尾部固定于中密封開(kāi)口，三組唇形密封圈收尾相接安裝于密封座上，形成一個(gè)整體。V形彈簧安裝于上密封圈開(kāi)口溝槽內，支撐塊卡在V形彈簧上，V形彈簧可以提供一個(gè)穩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。這種密封結構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(kāi)口朝向高壓側，使得壓力可以張緊密封唇口，同時(shí)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。此結構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(cháng)期使用過(guò)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，后續壓力逐漸減小，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(mén)材料會(huì )因為熱脹冷縮而發(fā)生一定形變，導致閥門(mén)內部零部件尺寸發(fā)生變化，同時(shí)包括螺栓預緊力、閥桿扭轉角和彈簧剛度等，下面將重點(diǎn)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有滑動(dòng)軸承，軸承起到支撐閥桿、防止閥桿發(fā)生徑向偏移的作用。當閥門(mén)處于超低溫環(huán)境中時(shí)，因冷縮現象將導致閥桿與軸承配合尺寸縮短，導致閥桿卡澀，因此需對閥桿和軸承之間的配合間隙進(jìn)行低溫差修正計算。設計圖樣標注的尺寸偏差與配合是以常溫20℃為基準的。超低溫閥門(mén)其閥桿和滑動(dòng)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.螺栓預緊力

閥體閥蓋間連接螺栓是在常溫下進(jìn)行裝配和緊固，當閥門(mén)處于超低溫環(huán)境中時(shí)，緊固螺栓、螺母、墊片等零部件會(huì )發(fā)生收縮現象，由于各不同材質(zhì)零部件的線(xiàn)膨脹系數不相同，其收縮量也會(huì )產(chǎn)生差異，螺栓有可能會(huì )發(fā)生松弛，導致閥門(mén)外漏情況嚴重。所以，在常溫下緊固螺栓時(shí)，必須考慮其在低溫下的影響。常溫時(shí)螺栓預緊力由補償溫差所需的預緊力F 1 、克服內壓所需要的預緊力F 2 和閥門(mén)工作時(shí)保證密封墊正常工作所需的預緊力F 3 組成。

3.加長(cháng)閥桿扭轉角

磁翻板液位計閥蓋需進(jìn)行加長(cháng)設計，以使閥門(mén)上部填料和操作機構院秒閥體內的低溫介質(zhì)。加長(cháng)閥蓋應足夠長(cháng)以提供絕緣氣柱，防止填料區域和操作機構凍結，閥桿也需要進(jìn)行加長(cháng)設計。在球閥進(jìn)行四分之一回轉運動(dòng)時(shí)，加長(cháng)閥桿會(huì )形成一定扭轉角，需要對扭轉角數值進(jìn)行計算驗證，以確定加長(cháng)閥桿比例，在扭轉載荷下，閥桿扭矩受閥桿扭轉角的限制，因此也就受到了閥桿材料的臨界剪切應力的限制。應如此設定閥桿直徑和閥桿長(cháng)度的比例。按照MSS-SP 134標準

4.6.4節規定，球閥閥桿長(cháng)度和閥桿直徑相結合使閥桿偏轉角或扭轉角限制為π/90弧度（2°），扭轉角根據下列等式確定。

5.密封面計算

物體會(huì )由于溫度改變而發(fā)生脹縮現象，單位溫度變化所導致的物體長(cháng)度變化常用線(xiàn)膨脹系數所示，在超低溫工況下，閥座密封圈會(huì )出現收縮，如仍按照常溫設計計算結果給定密封面寬度，會(huì )因為密封面收縮而導致低溫泄漏，因此在密封面設計計算時(shí)，需根據材料線(xiàn)膨脹系數給密封圈高度、密封面寬度一定的收縮裕量。

五、結語(yǔ)

彈簧加載多級迷宮密封結構磁翻板液位計密封性能遠優(yōu)于波紋管密封結構和泛塞密封結構磁翻板液位計，在超低溫工況下具有高可靠性，且不會(huì )受閥門(mén)壓力和口徑影響。磁翻板液位計在設計時(shí)，在滿(mǎn)足相關(guān)標準要求前提下，還必須依據實(shí)際工況條件進(jìn)行合理的結構設計，應對關(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(jìn)行計算，以保證閥門(mén)在超低溫下工作時(shí)不出現卡阻現象，同時(shí)螺栓預緊力必須滿(mǎn)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、穩定運行。