低温大口径高压上装固定球阀设计分析

2019-12-27

化肥设计 2019年6期

(圣博莱阀门有限公司，上海 201506)

LNG工厂、接收站、气化站、煤气化及空分装置、煤制烯烃等项目中低温大口径高压上装固定球阀是作为关键设备来进行产品质量控制，特别是压力等级在15～25MPa的超低温球阀，目前主要还是依赖进口。

进口的低温球阀，尤其是高压大口径上装球阀，不仅价格昂贵，而且采购周期长，特别是关键阀门部件，一旦损坏，无法在短时间内恢复，使装置的稳定运行受到严重制约。因此，此类阀门的国产化具有十分重要的意义。分析国内现状发现，实现国产化还具有一定难度，主要体现在以下几方面。

(1)技术方面：主要表现在设计技术与国外厂商有一定差距，阀门设计可靠性不强，对阀门低温材料的选择未做深入研究，对阀门深冷状态下的密封影响因素分析不足。

(2)制造方面：由于国内企业在超低温阀门设计制造领域起步较晚，在零部件加工、产品组装和公差选择配合方面，还缺乏一定的理论研究和实际经验，因此，需在这方面进行大量的基础工作。

现主要从设计方面分析NPS16 Class1500低温大口径高压上装固定球阀。

1 阀门低温状态下可靠性研究

采用失效模式与影响分析，对低温阀门可靠性进行研究；根据失效模式及对应原因，分析可靠性薄弱环节并提出改进措施。失效模式零(部)件汇总见表1。

表1 失效模式零(部)件汇总

1.1 阀体强度模拟分析

阀体为阀门的核心部件，通过有限元分析计算，旨在确定其壁厚是否满足要求(见图1)，确保零件应力及各密封区域的应变在设计允许范围内。

图1 阀体应力应变云图

1.2 中法兰强度模拟分析

该阀门口径大、压力高，阀盖与阀体连接处的密封可靠性是关键，因此中法兰强度须严格保证。通过有限元分析(见图2)，以验证中法兰强度是否满足设计要求。

图2 阀盖应力应变云图

1.3 低温状态下的阀座与球体密封副强度及密封面比压模拟分析

-196℃超低温状态下，零件收缩将导致尺寸参数的变化，因此，低温密封状态下其密封面比压是否均匀、收缩是否协调一致，都将影响阀门在超低温状态下的密封性能。采用热—结构耦合分析，计算出密封副的应力应变状态(见图3)，验证尺寸参数是否满足密封要求。密封面比压分布见图4。

图3 密封副应力应变云图

图4 密封面比压分布云图

1.4 加长阀盖温度场模拟分析

阀盖与阀杆之间主要采用软性的柔性石墨和高分子聚四氟乙烯组合填料密封，为保证密封性能，填料应有足够的回弹性，因此，其工作温度应在零度以上，通过ANSYS温度场分析以验证阀盖加长高度是否符合设计要求(见图5)。低温阀门标准对NPS16阀盖加长高度要求的对比见表2。

图5 加长阀盖温度场分布云图

表2 低温阀门标准对NPS16阀盖加长高度要求的对比

注：MSS SP-134标准中规定的加长阀盖是指阀门中心线到填料函顶部的尺寸，在具体比较各标准规定的高度时，应将该标准规定值折算至其他标准，统一规定。

1.5 模拟分析结论

(1)从阀门有限元分析结果(见图1)可以看出，阀体在强度试验压力(1.5PN)37.5MPa条件下，各承压区域应力均在标准规定的允许范围内。

(2)从图2分析结果可以看出，中法兰垫片密封处应变极小，各区域应力均在设定标准规定的允许范围内。

(3)从图3和图4可以看出，在-196℃低温工况时，球体、阀座在密封压力作用下，密封面吻合良好，密封比压足够，其应力均在标准规定的允许范围内。

(4)加长阀盖在-196℃时的分布云图见图5。图中分析的加长高度是采用MESC SPE 77-200的规定，使填料函的温度场在零度以上，可确保填料处于正常的工作温度，保证了阀门的密封性能，因此，可判定阀门上阀盖加长高度合理，壁厚适当能满足工况要求。

2 阀门的结构分析及改进

在此次阀门研发设计中，针对许多行业内的技术难题采取自主研发，大胆地对一些固有结构进行优化改进，打破传统的设计壁垒，减少了潜在的技术风险。

2.1 阀座的结构优化

阀门内置双阀座，一只阀座单向密封，另一只阀座可双向密封，在提高密封性能的同时还可实现阀腔超压时自动泄放，泄压方向(进口端、出口端)可按实际工况要求指定，确保阀门使用安全。阀座的结构设计直接影响到阀门的整机性能。球阀阀座处共有两处泄漏通道，一处是阀座与球体之间的动态密封；另一处是阀座与阀体内孔处的静态密封。动态密封可通过阀座处的预紧弹簧实现初始低压密封，并利用介质的活塞效应来实现高压密封。阀座静态密封是采用自带弹簧的蓄能密封圈来实现，由于蓄能密封圈对与之安装配合的零部件的尺寸和精度要求极高，因此，对该处的阀座进行特殊设计。

优化后，弹簧推动阀座与球体形成密封，在蓄能圈作用下实现高压密封(见图6)。由于阀座结构设计的不同，蓄能圈会在介质压力的波动下有ΔL的移动量，这个移动量会对蓄能圈的密封性能产生有害影响(见图7)。

图6 优化后的阀座密封结构注：1—阀体；2—蓄能圈；3—弹簧；4—弹簧座5—阀座；6—球体；7—阀杆

图7 优化前的阀座密封结构注：1—阀体；2—蓄能圈；3—弹簧；4—弹簧座5—阀座；6—球体；7—阀杆

经过优化设计的阀门可在线维修，同时消除了蓄能密封圈安装沟槽处的无效(有弊端)ΔL间隙，使得阀门的密封性能有了较大提升。

2.2 阀腔泄放口位置选取分析

顶端设置DBB低温球阀泄放口，提高了阀门的逸散性泄漏等级，避免泄放口设计存在阀体底部产生外泄的风险。

图8 泄放口顶端设置

双隔断双泄放(DBB)是固定球阀的基本功能属性，当阀门在管道装置上运行、维护、保养、性能测试时，都会用到阀腔泄放口，而管道中的低温阀门在外部均包有保冷材料，泄放口大都采用密封的管螺纹，而在温度有交变的情况下，螺纹的预紧力和摩擦力会逐渐减小或瞬时消失，严重时会导致泄放口螺纹失效，当泄放口采用图8所示设置，即泄放口移到顶部设计时，管道系统维护、保养将会非常方便。

2.3 蓄能密封圈结构设计

蓄能密封圈是低温球阀密封件中的核心零部件，图9为优化前、后的密封圈，优化后的密封圈采用开槽金属O形圈，外表面包覆PTFE唇边的复合结构，唇边两侧设有齿形环槽，可形成多级密封，同时采用双层弹簧支撑，可有效补偿阀体、阀座在低温工况下的收缩量，同时具有压力自紧密封功能，且能降低阀体、阀座密封表面微观不平整度对阀门密封性能的影响。

图9 优化后蓄能圈与传统密封圈对比

优化后的蓄能密封圈经过多次工装低温测试，密封圈单一泄漏量由原来设计给定阀门泄漏总量的1/5降低至1/10，由此可得出，优化效果显著。

2.4 阀杆填料结构优化

球阀通过外部执行机构驱动阀杆带动球体旋转，进而实现阀门的启闭切断功能，由于阀杆在低温工况下的旋转会对填料产生摩擦，加上压力、温度的变化使非金属填料的材料老化，前述这些因素都会导致阀杆填料泄漏，甚至密封性能失效。优化后的阀杆填料结构见图10。

图10 优化后的阀杆填料结构注：1—阀杆；2—组合填料；3—填料压套；4—填料压板；5—紧固件；6—弹簧定量压缩组合件

2.4.1逸散性填料组合结构

图10中组合填料最下端为蓄能圈，中间填料采用V型PTFE，上端采用低泄漏柔性石墨环组成。蓄能圈提供初级密封降低低温介质进入下一级密封的可能，耐磨、抗擦伤V型PTFE填料提高了整体使用寿命，低泄漏柔性石墨的使用在保证密封的同时又具有防火功能。

2.4.2组合填料定量压缩设计

图10中组合填料由紧固件通过弹簧、填料压板、填料压套施加在填料上的预紧力来实现填料的最终密封，弹簧通过定量压缩组合件使得弹簧压缩量控制在最佳范围，同时可提供更持久的弹性载荷，并延长碟簧的使用。这种持久的弹簧力为扭矩的精确控制、填料的长寿命使用创造有利条件。这种优化的填料密封结构可以满足严苛的微泄漏国际标准规定。