低温液氮用气动控制快速自密封加注阀

郭舜之 张周卫,2 李 河 赵 丽 丁世文

(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)

低温液氮用气动控制快速自密封加注阀

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(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)

针对传统-197℃低温液氮加注技术的缺点，设计了一个低温液氮用气动控制快速自密封加注阀，介绍了其总体结构与工作原理。该技术不但可用于-197℃低温液氮等超低温流体的自密封自动加注过程，还可用于可燃流体、有害流体及毒性流体等特殊极端流体的自密封自动加注过程。

加注阀 气动控制 自密封 低温液氮

在低温液氮、LNG、气体分离与液化等低温领域中，低温流体在传输和加注过程中一般处于过热或饱和状态，因此一般采用开式系统，将低温流体加注阀门打开，直接在常压下倾倒或注入至开口的被接收设备(具有较大且向上的接收开口)。传统的加注过程易造成低温流体的汽化损失，尤其是可燃性低温流体，容易造成可燃气体加注扩散。其次，大多低温流体无法带压加注，不能进行多相流加注，常压加注速度较慢，低温流体容易过热喷溅，造成低温冻伤等意外事故。大多数设备由于开口较小或在加注过程中需要直接连接管路进行加注，导致加注过程中低温流体快速汽化，汽化气从低温液体进口排气，造成低温液体难以加进、连接管路接头快速降至超低温，无法手动操作。此外，超低温、超高温、有毒性或多相流等极端流体，在加注过程中存在手动操作难以完成、电动控制易引起爆炸、多相流扩散、高温烫伤及低温冻伤等缺点[1,2]。

为此，笔者在原自密封加注接头的基础上，设计了气动自密封加注阀，将气动控制执行机构应用于双向快速自密封接头，设置四通换向阀控制高低压换气装置，调换高低压气流流动方向，达到气动控制并换向的目的，实现低温主阀的自动连接与切断功能[3]。

1 总体结构

在-197℃低温工况下，低温液氮加注过程中加注接头两端温度极低，无法进行手动操作。一方面，要求加注后的流体不能溢于环境，以免造成低温冻伤，因此需要加注后的流体两端接头能够在加注后实现自密封。另一方面，加注过程中接触段温度极低，不能手动操作进行插拔接通，需要自动控制通断。为此，笔者根据气动自动控制原理发明了气动执行机构，结合自密封加注接头基本结构形式，设计了一个带气动控制的超低温自密封加注阀，以解决低温流体的自动控制加注问题。自密封过程依靠两端自密封接头实现，自动控制过程依靠气动执行机构实现，高低压气体换向过程依靠四通换向阀实现，从而实现超低温液氮的自动控制加注和自动通断控制过程[3]。低温液氮用气动控制快速自密封加注阀结构示意图如图1所示。

图1 低温液氮用气动控制快速自密封加注阀结构示意图

2 工作原理

低温液氮用气动控制快速自密封加注阀的工作原理为：低温液氮加注时，高压气体通过气动管路进入气缸中部，推动气动阀杆向下运动，同时，气动阀杆上弹簧推动气动阀杆向下运动；气缸底部的高压气体通过气动管路上连接的四通换向阀改变气路后变成低压气体；拉钩气动弹簧推动拉钩阀杆向下运动，拉钩阀杆带动U形槽向下运动；U形槽带动拉钩向中轴旋转，并钩住主阀上阀体；拉钩通过拉动主阀弹开控制筒拉动主阀上阀体向下运动，主阀控制球沿径向运动后，扣入主阀上阀体凹槽并锁紧，主阀弹开控制筒相对主阀阀座向上运动并扣紧主阀控制球；主阀上阀体通过主阀上阀芯向下推动主阀下阀芯，压缩主阀下阀芯弹簧向下运动，同时向上推动主阀上阀芯相对主阀上阀体向上运动，打开主阀流体进出口上下通道，实现低温液氮自下而上加注接通。低温液氮切断时，高压气体通过气动管路进入气缸下部，推动拉钩阀杆、气动阀杆向上运动，拉钩阀杆压缩拉钩气动弹簧、带动U形槽向上运动，U形槽带动拉钩向外旋转，并与主阀上阀体脱开；气动阀杆带动顶杆向上运动并通过弹性顶盖推动主阀上阀体，通过运作至主阀上阀体的推力，推动主阀弹开控制筒相对主阀阀座向下运动，主阀控制球沿径向向相反方向运动并锁紧主阀弹开控制筒；通过主阀下阀芯弹簧的作用力，将主阀下阀芯向上推动、主阀下阀芯向上推动主阀上阀芯、主阀上阀芯向上推动主阀上阀体，脱离主阀阀座；主阀下阀芯向上运动后，通过主阀下阀芯密封圈与主阀下阀体密封；主阀上阀芯相对主阀上阀体向下运动，通过主阀上阀芯密封圈与主阀上阀体密封；此时，主阀两端流体断开，主阀上阀体与主阀下阀体脱离，两端各自实现密封，完成低温液氮的整个加注过程。

该技术不但可用于低温液氮的加注过程，还可用于其他超低温流体或高温流体的自动加注过程[4]。

3 结束语

笔者设计了一个低温液氮用气动控制快速自密封加注阀。加注过程中，低温流体不会溢出管道，可随时停止加注，无需手动操作；只需要将加注接头靠近需要加注的低温液氮，气动执行机构便可自动拉动加注接头，并将接头拉至接通位置导通并锁紧，待加注完成后，可自动打开加注阀，实现双向自密封，不会出现低温液氮在加注过程中喷溅等问题。该加注阀可完成自密封、无泄漏带压加注过程和多相流加注过程，安全可靠，方便耐用，只需气动控制。该技术不但能够用于低温液氮等超低温流体的自密封自动加注过程，还可用于其他常温流体、超高温流体、可燃流体、有害流体及毒性流体等极端流体的自密封气动控制加注过程。

[1] 刘洋,姚晓先,宋晓东,等.超高压气动加注阀流量特性试验研究[J].农业机械学报,2014,45(5):299～304.

[2] 郭关柱,王云,王浩源.自密封高压气动快速通断阀密封研究[J].液压与气动,2003,(1):43～45.

[3] 张周卫,吴金群,汪雅红,等.低温液氮用气动控制快速自密封加注阀[P].中国:201310570841.1,2014-03-19.

[4] 吴筠.气动工程手册[M].北京:国防工业出版社,1995.

Pneumatically-controlledFastSelf-sealedFillingValveforCryogenicLiquidNitrogen

GUO Shun-zhi1, ZHANG Zhou-wei1, 2, LI He1, ZHAO Li1, DING Shi-weng1
(1.SchoolofEnvironmentandMunicipalEngineering,LanzhouJiaotongUniversity;2.GansuZhongyuanEnergyandPowerEngineeringCo.,Ltd.)

Considering the shortcomings of pneumatic filling technology for -197℃ cryogenic liquid nitrogen, a pneumatically-controlled fast self-sealed filling valve for cryogenic liquid nitrogen was designed and its overall structure and working principle were introduced. This filling valve can be applied to the cryogenic liquid nitrogen’s self-sealed pneumatic filling process and the auto-filling process of combustible fluids, harmful liquids, poisonous fluids and other special fluids.

filling valve, pneumatic control, self-sealed, cryogenic liquid nitrogen

甘肃省自然科学基金项目(1208RJZA234)；甘肃省财政厅基本科研业务费(214137)；甘肃省教育厅硕导项目(1104-01)。

郭舜之(1993-)，硕士研究生，从事低温阀门和多股流换热器的研究。

联系人：张周卫(1974-)，副教授，高级工程师，从事空间低温制冷技术、多股流多相流超低温换热技术的研究，zhangzwemail@126.com。

TQ055.8+1

A

0254-6094(2017)02-0179-03

2016-06-13)

(Continued from Page 152)

lar encoder adopted to measure the torsional angle of both active and driven flanges and the torque wrench employed to adjust the bolts’ pre-tightening force show that, with the increase of the load, the flange’s bolt connection becomes loose seriously; and under condition that the load fluctuates, the coupling’s torisional rigidity changes with the variation in load; and the bolt preload’s decrease can reduce the slip moment and the its rigidity in the phase 3 varies slightly. When the bolt preload is reduced to 6N·m, the rigidity in both Phase 1 and Phase 4 becomes declined obviously.

Keywordsdiaphragm coupling, bolted connection, torsional rigidity