低温阀阀盖颈部长度与低温球阀安装方向探讨

吴　军，蔡晓峰

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉　430223)



低温阀阀盖颈部长度与低温球阀安装方向探讨

吴军，蔡晓峰

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉430223)

摘要：针对低温阀的特点，本文重点探讨了低温阀门长颈阀盖的作用及长颈阀盖长度的推导过程，阐述了低温球阀的结构原理，并指出其安装方向的判别方法。根据本文中介绍的方法，可以准确判别出低温球阀的安装方向，避免因错误安装而造成的经济损失。

关键词：低温球阀；阀盖；颈部长度；安装方向

低温阀门是石油化工、空气分离、天然气、制冷和低温工程上不可缺少的重要设备之一。

一般认为，工作温度低于-29 ℃的阀门称为“低温阀门”，工作温度小于-100 ℃的阀门，称为“超低温阀门”[1]。其中超低温阀门与普通阀门相比有很多不同特点。比如LNG阀门的阀体、阀盖、阀瓣、阀座、阀杆等零件在精加工前宜进行深冷处理，消除这些部件材料因发生组织转变而导致的体积变化[2]。除此之外，阀门设计手册还对低温阀门的垫片、填料函及填料、上密封、中法兰螺栓、保冷、预防异常升压的措施等进行了说明[3]。

本文专门针对超低温阀门最显著的两个特征——长颈阀盖与安装方向进行探讨。

1长颈阀盖

低温阀门的一个最显著的特点就是其阀盖一般为长颈结构，某LNG项目现场低温球阀见图1。

图1　某LNG项目现场低温球阀

1.1长颈阀盖的作用

(1)保护填料函，并使填料部位温度在0 ℃以上，防止因填料函过冷而使处在填料函部位的阀杆以及阀盖上部的零件结霜或冻结。在低温状态下，填料弹性逐渐消失，密封性能随之下降，介质的渗透会造成填料与阀门处结冰，影响阀杆正常操作，同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤，引起严重泄漏。

(2)防止冷能损失。长颈结构便于缠绕保冷材料，防止冷能损失。

(3)保证施工安装空间。一般超低温阀门保冷层会比较厚，加长的阀盖也保证了保冷施工的空间，并使填料压盖位于保冷层外，添加填料及紧固压盖螺栓时，无须损坏保冷层。

1.2滴水板的设计

滴水板也称为隔温板，是一块焊在填料函下部长颈部分的圆形板，其主要作用有：①支持保温材料；②提高保温效果[3]。

大连理工大学的孙奇通过有无滴水板对整个阀体进行了温度场模拟对比，发现有滴水板的阀门阀盖上端的温度明显升高，滴水板可以有效地减缓阀体温度向填料及阀杆上端的传递，进一步保证填料部位和阀杆上部零件的温度在0 ℃以上[4]。滴水板另外一种用处就是当滴水板设置在保冷层的外侧时，可以防止冷凝水滴落到保冷层及阀体上部，保护保冷层并防止冷量流失。

长颈阀盖见图2，其颈长是按照材料的导热系数、导热面积及表面散热系数等因素来决定的。目前，国内外关于低温阀门颈部伸长量相关的文献比较少，相关标准中给出了阀盖颈长的推荐值，但是没有说明计算公式或推导过程，笔者将通过热力学理论，推导低温阀门长颈阀盖长度的计算公式，为工程设计提供理论计算依据与参考。

图2　长颈阀盖

1.3阀盖颈部长度L1与温度分布的计算

从换热的角度出发，可以建立简化的物理模型，见图3。阀盖、阀杆壁面与环境之间的对流换热系数均为h1，L2起到增加L1顶部对流换热系数的作用，假定相对于L1顶部的当量对换系数为h2，具体参数对应关系见图2、图3。

图3　圆柱体传热模型

(1)

(2)

边界条件为[5]：

r=0 tr=0

z=0t=t0

式中，tf为环境温度；h1为L1部分对流换热系数；h2为L2与L1结合部分的当量对流换热系数；λ为材料导热系数；t0为低温液体温度；t为长颈阀盖温度场；r1为阀筒的半径。

θ(r,z) =tf-t(r,z)tf-t0

(3)

1.4当量对流换热系数h2的计算

再将L2部分看成沿z轴变化的一维换热翅片，其与环境的换热量为：

Q1=∫L202πr2h1(tf-t)dz

Q1=2πr2h1(tf-t1)th(mL2)

(4)

式中，r2为阀杆半径；t1为翅根处的温度，

t1=tf-θ(r1,L1)(t0-tf)

翅片L2的温度近似沿z方向线性变化，翅端温度与环境温度tf相同，为了求对流换热系数h2，引入L2的线性平均温度，其中t2为L2顶端处温度：

(5)

若L1的顶端以平均温度tm与环境对流换热时，其当量流量对流换热系数应满足：

(6)

根据式(4)～(6)即可得到当量对流换热系数h2。

1.5阀盖颈部长度L1的计算

由式(3)可得长颈阀盖不同长度处的温度数学表达式：

t(r,z)=tf-θ(r,z)·(tf-t0)

(7)

当r=r2，z=L1时，为避免填料处结冰，填料底部温度应为273K(0 ℃)。

因此式(7)满足：

(8)

并由此得出温度等于273K时，阀盖颈部长度L1：

L1=Ln y/β1

(9)

式中，

(10)

通过上述公式，俞树荣等以20 mm低温承插焊截止阀为例，从理论上计算出L1=140 mm与实用阀门设计手册数值一致[6，7]，而明友等也以DN40，150LB的低温球阀为例，认为MESC SPE 77/200和BS6364-1998中规定的阀盖颈部长度是比较安全的[1]。壳牌石油标准MESC SPE 77/200给出的低温阀加长杆的长度见表1。各个厂家的产品在加长阀盖的长度规定上会稍有不同，在设计时需要参考选定厂家的产品尺寸，以免现场安装发生碰撞。

表1　最小蒸汽空间和保温套长度(加长阀盖)[8]

注：此表考虑了低温阀门的使用温度和保冷材料的厚度。

1.6注意在设计过程中为保冷阀门留足空间

低温阀门比普通的阀门阀杆要长，安装时占用的空间比较大，需要在设计的时候注意阀门朝向以及安装距离。下面图4、图5就对低温球阀的设计与现场施工实际情况进行了对比，设计时按普通阀门考虑空间是满足要求的，而现场的实际情况是出现了碰撞。

图4　PDMS设计的低温阀门大小模型

图5　现场实际低温球阀安装情况

2低温球阀方向性问题

2.1低温阀门使用环境

低温阀门，特别是超低温阀门，其工作温度极低(-100 ℃以下)[8]。在设计这类阀门的时候，除了遵循一般阀门的设计原则外，还需注意这类超低温球阀最为显著的特征之一，即中腔自动泄压功能。当然，除了超低温介质，其他易于气化的液体介质用球阀和闸阀也多需要中腔泄压设计，例如液氨、液化石油气、丙烯等。

这里以LNG系统的超低温球阀为例， 当这类超低温阀门关闭后，阀腔内会残留一些LNG液体。随着时间的推移，这些残留在阀腔里的LNG液体会逐渐吸收大气中的热量，回升到常温并重新气化。气化后其体积急剧膨胀，产生极高的压力，并作用于阀体内部。这种情况称为异常升压，这是低温阀门特有的现象。

2.2低温阀门泄压孔

LNG在-162 ℃时压力为0.2～0.4 MPa(g)，当温度回升到20 ℃时，压力增加到29.3 MPa(g)[3]。这时，高压甚至会将其中的法兰垫片冲出或冲坏填料；也可能引起阀体、阀盖变形，使阀座密封性能显著下降；甚至导致阀盖破裂，造成严重事故。为防止异常升压现象发生，一般采取在低温阀门的结构上开具泄压孔的措施。

设置泄压孔，又称压力或排气孔，即在球阀球体或阀体上钻一小孔，作为阀门内腔和进口侧的压力平衡孔。当阀腔压力升高时，气体可以通过小孔排出，这种方法比较简单，目前已被广泛采用。平衡孔采用泄压孔以防止异常升压，在阀体设计时，应有指示泄压孔方向的箭头，泄压孔开设的位置视阀门的结构而定，有的在阀体上，见图6；有的在球体上，见图7。

图6　低温阀门泄压孔在阀体

图7　低温阀门泄压孔在球体

2.3低温阀门泄压孔方向判断

对于这种低温球阀的泄压要求，可通过设置泄压孔、泄压通道或其他办法(例如泄压阀座)达到，可将阀盖和阀体空腔内的压力泄放到阀门的进口端，即高压侧[9]。

关于排放系统泄压方向排向高压侧的说法，在《石油化工管道设计器材选用通则》中也有相应描述：对于低温系统的弹性闸板闸阀，应在其高压侧的阀盘上开一个排气孔[10]。 当泄压孔在阀门内的开孔方向朝进口方向时，由于进口方向压力高，在阀门关闭时会将阀瓣或球体推向出口侧，出口侧密封面能获得较高的比压，密封效果较好[11]。

恰恰是这种泄压孔，导致低温阀门具备了方向性。通常对于这种低温球阀，在阀体上会标有箭头。这些箭头的表示方向的含义应以业主与阀门制造厂的合同规定为准，一般来讲，箭头所指向的是这种低温阀的泄压孔方向(也即高压端方向)，而非介质流向，见图6(a)和图7(a)。这里需要提醒的是：这个高压端方向并非总是与管线流向相反，而应该理解为阀门关闭时的上游方向[8]。也就是说低温球阀阀体上箭头方向可能与介质流向相同，也可能与介质流向相反。

举一个LNG系统简单而典型的例子。图8中所示是LNG的PID所标示的一个安全阀组，其中一共有4个带泄压孔的低温球阀，球阀上尾巴的方向即表示了泄压孔的方向。低温球阀的方向大致可以分为如下3种情况。

图8　LNG工艺流程(低温球阀)

(1)导淋与放空。如图8中的V07111低温球阀，因为其属于一个类似放空作用的阀，这个时候，阀门的泄压方向是朝向系统内的，而不是指向环境。

(2)正常情况。图8中安全阀前的V07112球阀，正常情况下是关闭的，这个时候左端就属于关闭时的高压端，因而球阀放空孔指向左，泄压孔与介质流向相反，V070109与之类似。

(3)检修情况。图8中安全阀后的V070110，其泄压孔却指向与介质流向相同，分析其原因，阀V070110正常情况是开的，当安全阀检修的时候，需要将此阀关闭(同时V070109也处于关闭状态，而旁路阀V070112则打开)，此时如果球阀腔内聚集高压蒸汽，可以瞬间排放至安全侧(即阀门关闭时的上游侧)，而不是泄向大气，从而造成污染或其他安全事故。

上面3种情况泄压孔与介质流向有的相同，有的相反，但是却都是排向阀门关闭时的高压侧(也即安全侧)。在项目现场，经常有工人误以为低温球阀箭头的方向就是介质流动的方向，这种理解是片面的，这个时候工人一定要严格按照工艺PID的要求以及管道轴侧图所标示的方向安装，否则非常容易导致事故发生。

3结语

本文针对低温阀的显著特点，首先探讨了长颈阀盖的作用以及计算原理，并提醒设计者在进行管道布置的时候，低温阀的安装空间一定要足够，不然很容易导致现场碰撞；随后针对低温球阀的泄压孔进行了探讨，认为正是泄压孔的存在，导致了低温球阀的安装具有方向性，并且阀体上箭头的方向并非表示介质流向，而是泄压孔的方向。选择正确的安装方向不仅更有利于阀门密封，保护了阀门，还会避免潜在的安全隐患。

参考文献：

[1] 明友，陈凤官，等.基于ANSYS的低温阀阀盖颈部长度传热学分析[J].低温与超导，2013，41(11)：28-31，88.

[2] 姚长青，郑超，等.LNG低温阀门技术发展趋势分析[J].化工设备与管道，2014，51(01)：8-11，36.

[3] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

[4] 孙奇.LNG超低温阀门的设计及材料低温物性的研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[5] 何燕慧，陈德林.机械密封温度场及其热应力的有限元计算[J].兰州理工大学学报，2007,33(3):72-74.

[6] 俞树荣，金维增,等.低温阀门阀盖颈部温度场分析[J].兰州理工大学学报，2012,38(5)：58-61.

[7] SHELL MESC SPE 77/200,valves in low temperature and cryogenic services[S].

[8] 那丽,等.超低温球阀的结构设计特点及安装要求[J].煤化工，2013，41(2)：65-67.

[9] BS 6364-1984，Specification for Valves for cryogenic service[S].

[10] SH 3059-2001，石油化工管道设计器材选用通则[S].

[11] 刘先禹，霍金海.低温阀门特点的探讨[J].广州化工,2009,37(5):197-199.

Discussion on Cryogenic Valve Bonnet Neck Length and Cryogenic Ball Valve Mounting Direction

WU Jun，CAI Xiao-feng

(WuhuanEngineeringCo.,Ltd.,WuhanHubei430223China)

Abstract：For the unique characteristics of cryogenic valves, this paper focuses on the roles of long-necked valve bonnet of cryogenic valves and derivation process of the neck length, then discusses the structure and principle of cryogenic ball valve, and points out the methods how to discriminate its installation direction. Methods proposed in this article can accurately give the installation directions of common ball and cryogenic ball valves to avoid economic losses caused due to incorrect installation.

Keywords：cryogenic ball valve; valve bonnet; neck length; mounting direction

收稿日期：2015-12-12

中图分类号：TH 134

文献标识码：B

文章编号：1004-8901(2016)01-0015-05

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.005 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.02.005

作者简介：吴军(1985年-)，男，湖北仙桃人，2010年毕业于天津大学化学工程专业，硕士，工程师，现主要从事管道设计工作。