超低温上装式V 型控制阀结构及密封比压计算

李华祖，韩龙生，杜雨，章文忠，胡开平

（湖北泰和石化设备有限公司，湖北 秭归 443600）

V 型球阀，调节性能是球阀中最佳的，流量特性是等百分比，可调比达100∶1，在进行调节应用时，控制非常准确，体积小，重量轻，流阻小，流量系数大，结构简单、密封性能好。随着液化天然气（LNG）的广泛应用，越来越多的V 型控制阀被投入使用，而在超低温工况应用时，主要采用上装式结构，对焊连接，其结构形式、密封能力、使用寿命尤其重 要。

1 超低温上装式V型控制阀密封结构

V 型球阀典型结构：固定球，球体有V 形通道口，单阀座弹簧预紧，球体旋转，开口的面积不断发生变化，起到调节作用；对于口径DN 50 及以上采用固定球阀结构，小口径如DN 15，DN 20 等采用浮动式。

1.1 固定球密封结构

超低温上装式V 型球阀，阀座采双活塞效应实现双向密封[1]结构如图1 所示，阀体上装式结构减少了管道系统泄漏点要求，又满足了阀门在线维修的要求，阀座与球体密封为软密封防火结构，阀座通过Lip-seal 密封圈实现，其原理通过面积差来实现双向密封，密封效果好，无中腔压力无需泄压功能，结构简单使用安全。

图1 超低温固定球上装式V 型球阀结构Fig.1 The structure of the cryogenic fixed ball top mounted V-shaped ball valve

在线维修功能主要在于，阀座前端有径向螺纹，通过调节螺母旋合调节阀座移位，其调节螺母后端有碟簧预紧，低温收缩补偿，确保了低温下的密封性能。

1.2 浮动球密封结构

超低温上装式V 型浮动球阀，主要用于小口径。小口径上装式主要流道直径小，加工困难，其浮动V型球阀加工简单，密封效果好，成本低等特点。 图2 所示，活动阀座便于在线维修更换，阀前有调节螺母通过旋合进行预紧，碟簧提供预紧力和低温收缩补偿，球体开V 型通孔，后阀座于阀体密封可采用PCTFE，也可以通过Lip-seal 密封圈实现。

图2 超低温浮动球上装式V 型球阀结构Fig.2 The structure of the cryogenic floating ball top mounted V-shaped ball valve

2 阀座镶嵌PCTFE

其超低温V 型球阀密封面一般采用的PCTFE，由于PCTFE 在低温下易收缩并变硬，不耐冲刷，因而存在密封失效的风险。针对这一问题，密封圈需牢固地镶嵌在金属阀座上。

2.1 镶嵌过盈量确定

镶嵌首先要确定合适的过盈量，基本要求是使用时必须满足镶嵌面的传动和密封功能，过盈量有一个最小值。关于最小值，计算传动需要的转矩非常麻烦，而且影响因素很复杂，很难得出准确结果，所以通过实验来确定镶嵌密封环的最小过盈量，实践表明，镶嵌密封环的最小过盈量不小于环直径的0.2%。常温、低温镶嵌再加上低温收缩比，就能可靠地保证镶嵌密封环的传动和密封性能。

镶嵌最大变形量受材料强度的限制。当把环座和密封环都看作薄壁圆筒时，镶嵌时环座和密封环承受的拉应力和压应力分别可以视为均匀一致的，这样的话计算得以大大简化，当需要更为精确的计算时，应该采用厚壁圆简计算[2]。

镶嵌变形量需考虑温度的影响，镶嵌密封环和阀座的材质不同，各自有不同的线胀系数，常温下的过盈量，在温度变化后，必将发生变化。超低温阀镶嵌先确定过盈量+低温收缩量，低温收缩量可以根据材料的线胀系数进行有限元分析，再进行低温处理试验修正，需要注意的是阀座材料一般采用F304、密封圈材料PCTFE 两种材料在低温环境中收缩性能不一样，在有限元分析和低温试验修正时，需分别进行低温收缩计算。

根据以上三个因素，来确定好最终过盈量，低温环境下镶入。

2.2 镶嵌工艺结构及方法

阀座镶嵌PCTFE 需考虑密封性能，阀门在半开调节流量时，使阀座的一部分失去支撑，确保镶嵌的PCTFE 在介质的作用下不产生弯曲变形，松弛等。还需保证阀门其防火结构。

具体步骤是阀座先按照过盈配合尺寸加工凹槽，边口倒角防止刮伤PCTFE。环形PCTFE 按计算的最终过盈尺寸加工，高度要高于凹槽深度的1 mm，外圈加工排气沟如图3 所示。

图3 密封圈PCTFEFig.3 Sealing ring PCTFE

工件放入液氮池内冷处理，冷处理时间约1 小时，可根据工件的厚度以及热传递速度计算时间。取出工件快速镶嵌，压入PCTFE 时，需保证周圈应力均匀，通常采用压机压入其受力均匀，在镶嵌时做好防护工作防止冻伤。完成镶嵌后再加工成型如图4 所示。

图4 镶嵌加工图Fig.4 Mosaic processing drawing

密封环的截面总体上保持轴向长度不低于径向厚度的1.2 倍是合适的，好比一个细长的直的长方体，沿轴向施加很高的压力，最终长方体会沿窄边弯曲，此即所谓的“失稳” 现象。同样的道理，很高的周向压应力，密封环如果长度不变而径向厚度越大，在周向压应力作用下密封环径向方向压紧环座，而轴向的某一点向外弯曲“失稳”的趋势就将增大，导致端面产生所谓的波度变形，造成密封失效。

3 超低温上装式V型控制阀密封比压

3.1 超低温浮动V型球阀密封比压

超低温浮动V 型球阀一般是靠出口端阀座来保证密封，而上装式需要可在线更换阀座，阀座需活动设计便于更换。在密封面宽度相同的条件下，阀座与球体的密封力为球面接触计算预紧力按法向力计算，在此结构中阀座背面与阀体的密封圈尤为关键。

3.1.1 阀座与阀体密封比压

阀门关闭时，阀座与阀体密封力的计算，需要达到密封效果，其计算密封比压必须大于密封面必须比压。如图5 上装式浮动V 型球阀密封圈受力图。

图5 浮动V 型球阀阀座与阀体密封受力图Fig.5 The sealing pressure diagram for the seat and body of the floating V-ball valve

p——介质压力，MPa。

3.1.2 球体与出口端阀座密封比压

阀座与球体的密封面总作用力按式（1）计算，需注意球体对出口端阀座密封面的是法向力，如图6所 示。

图6 浮动V 型球阀球体与阀座密封圈受力图Fig.6 The sealing pressure diagram for the ball and the seat of the floating V ball valve

式中R——球体半径，mm；

L1——球体中心至密封面内径距离，mm；

L2——球体中心至密封面外径距离，mm。

3.1.3 弹簧预紧力的计算

浮动V 型球阀在介质压力作用下，球体能沿球心轴线产生一定的位移并紧压在出口端的阀座密封圈上，保证出口端密封，其弹簧预紧力为了保证低压时的密封性，弹簧预紧力需大于低压时阀座密封圈必须预紧力，根据实验考虑弹簧材料偏差及安装偏差，弹簧预紧力大于必须预紧力的1.1 倍，低压压力一般采用0.2 ～ 0.6 MPa，低压计算压力和必须密封比压都按低压计算验证。

最小弹簧力计算：

式中FMY——低压时密封圈必须预紧力，N。

浮动V 型球阀的使用寿命在很大程度上取决于正确选择弹簧预紧力，过量压缩会导致球体与阀座间的摩擦力矩增加，并可能引起阀座密封材料的塑性变形[5]。所以需要计算球体最大弹簧力，便于进行预紧弹簧选型。

最大弹簧力计算：

FTMAX≤cos·AMH·[q] -FMJ（9）

式中 [q]——密封面材料的许用比压，MPa。

3.2 超低温固定V型球阀密封比压

固定V 型球阀特点在于活塞套筒密封直径DHW小于阀座密封面的平均直径，能实现双向密封，需要计算双向密封比压，来确定阀门是否能实现密封，如图7 所示。

图7 固定V 型球阀双向密封受力图Fig.7 The pressure diagram for the bidirectional sealing of the fixed V-ball valve

阀座对球体的压力：

固定V 型球阀密封为双向密封结构，反向受力时，介质经活塞套筒外径压在球体上的面积差大于介质经阀座反向压在球体的面积差，弹簧预紧力已知，需要计算反向密封时比压是否会超出许用比压。

反向阀座对球体的压力：

[q]——密封面材料的许用比压，MPa。

根据上述的公式，阀座反向密封时密封面受到的比压大，在选用弹簧时考虑反向密封时的比压，选择弹簧过重会导致密封面损伤及密封失效。

在设计过程中，保证很好的密封性能，避免密封材料引起过大的变形，为此，必须保证：

式中qMF——保证密封所需的比压，MPa；

q——实际工作比压，MPa；

[q]——密封面材料的许用比压，MPa。

4 结束语

超低温V 型球阀，需满足市场需求按上装式设计，设计时在满足相关标准的前提下，考虑结构的可行性，包括大口径固定形式和小口径浮动形式，以及核心部件的工艺方法，加工可行性。确保在低温工况中很好的密封性能，尤其是上装式结构不能按照典型结构计算密封比压，需根据设计的结构形式进行受力分析考虑超低温工况的情况下进行密封比压计算，以确保密封可靠，密封面使用寿命长。