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弹簧U型圈在LNG超低温球阀中的应用

随着石油化工的发展,特别是液化天然气(LNG)的广泛应用,对超低温工况下应用的阀门的要求也越来越高。根据相关工程设计及工艺操作安全的要求,国内外各阀门供商一直在进行对超低温球阀在不同部位的结构设计方面的研究,并对结构设计进行相应的改进。


超低温球阀简述
石化行业中对低温阀门的定义是按照输送介质的设计温度来定义的,一般将应用在介质温度-40℃以下的阀门称作低温阀,应用在介质温度-101℃以下的阀门称作超低温阀门。超低温球阀主要应用于液化天然气、液化石油气以及空分行业的装置上,输出的液态低温介质有:液氧、液氢、液化天然气、液化石油产品等。这些介质不但易燃易爆,而且在升温或者闪蒸时会发生气化,气化时体积急剧膨胀,如果输送这些流体的阀门中有密闭阀腔且结构设计不合理,则会造成阀腔超压,从而导致介质泄漏,甚至阀门开裂造成事故。


有谛®工业密封SUL系列弹簧U封圈,耐低温(-50℃)合成橡胶O-Ring及防爆(NORSOK M710认证)O-Ring是LNG超低温阀密封的最佳解决方案。


阀腔泄压设计及阀门的密封圈设计
超低温球阀应用在易燃易爆且容易气化的介质时,对于阀门密封结构有着特殊的要求。这是因为球阀在结构上一般会有密闭阀腔,由于介质气化时体积急剧膨胀,球阀在密封结构设计上,一定要考虑密闭阀腔的泄压要求。球阀按结构分为浮动球式及固定球式两种。由于浮动球式超低温球阀和固定球式超低温球阀的阀门密封原理不同,在泄压设计上,会有明显的区别。


浮动球式球阀的密封依靠介质的压力,把球体推向下游的密封面,从而达到密封的要求。所以一般浮动球式低温球阀的密封结构为上游密封圈采用弹簧预紧式密封结构,泄压采用在球体上钻孔的方式。由于上游介质的压力高,一般阀门的泄压方向都采用向上游泄压。弹簧预紧式阀座可以使球体在弹簧的作用下,压向下游密封圈。这种密封结构的好处是使密封更可靠,同时球阀开启扭矩也会减小。球体上钻孔可以使阀腔与阀门上游相通,避免阀腔因介质气化膨胀而局部升压。


固定球式超低温球阀的密封一般是双向密封,即上下游密封圈要同时起到密封的作用。上游密封圈用单活塞式密封阀座,下游密封圈用双活塞式密封阀座。单活塞阀座的原理为单向活塞式的作用,在密封副的设计上,考虑到因密封面两个方向作用力的差值而产生的作用力方向的不同,从而使密封副在压力差的推动下,产生相应方向的活塞运动(单活塞效应)。正常压力下前阀座单活塞密封示意图见图1,在上游管道正常推力P1大于反向推力P2时(P1>P2),在压力差的作用下,把密封圈压向球体,达到密封;而在阀腔压力升高时,在此压力的作用下,推开密封圈,使阀腔里的气体泄向上游管道。

图1 正常压力下前阀座单活塞密封示意图

    

中腔泄压时前阀座单活塞密封示意图见图2,当阀门中腔有异常压力时,中腔压力大于流体压力,且压力差产生的推力满足P3>P4+P5(P3为阀腔压力作用在图示作用面上的推力,P4为流体作用在阀座上端推力,P5为弹簧推力),阀座在压力的推动下,离开球体,泄放压力。

图2 中腔泄压时前阀座单活塞密封示意


双活塞阀座的原理与单活塞阀座的原理类似,只是在密封圈的设计上,要保证无论在下游管道压力高于阀腔压力时,还是在阀腔压力高于下游管道压力时,密封圈都能达到密封,从而避免阀腔气体向下游泄压并保护下游管道(双活塞效应)。正常压力下后阀座双活塞密封示意图见图3,在正常压力方向,由于阀腔压力P6小于阀座弹簧压力P7与流体压力作用在图示作用面上压力P8之和(P6正向流体压力P10,阀座在压力作用下也会压向球体,阻止介质通过。阀座的主密封件上游阀座因阀腔泄压的需要,一般采用单向唇式密封圈,而下游阀座由于双向密封的需要,采用双向密封圈,如图1~图4所示。

图3 正常压力下后阀座双活塞密封示意图


 

图4 存在反向压力时后阀座双活塞密封示意图

附图参考

有谛工业科技(上海)有限公司弹簧U型圈外套由3M和DAIKIN公司的耐低温高分子材料加工精制,内置经耐低温处理的不锈钢防腐弹簧组合而成,弹簧经过深冷处理,使密封圈在低温状态下,不发生低温脆断和扭曲变形,保持良好的密封效果,耐在-196℃的低温和腐蚀介质的环境中长期工作,在系统压力为零时,弹簧提供初始的预压力,当系统压力提高时,U形腔内充满压力介质而使唇边紧贴缸壁,这样,保证了密封在整个压力变化过程中,始终具有良好的密封性能。


此产品详情亦可参照本网站LNG超低温球阀专用密封

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