近幾年，隨著石油化工的發展，特別是液化天然氣(LNG)的廣泛應用，對超低溫工況下應用的閥門的要求也越來越高。根據相關工程設計及工藝操作安全的要求，國內外各閥門供應商一直在進行對超低溫球閥在不同部位的結構設計方面的研究，并對結構設計進行相應的改進。筆者結合在液化天然氣生產的工程設計實踐經驗，介紹超低溫球閥的主要結構設計特點、低溫試驗及安裝的注意事項，以便為工程設計中類似介質的超低溫閥門的選用提供參考。
1 超低溫球閥簡述
石化行業中對低溫閥門的定義是按照輸送介質的設計溫度來定義的，一般將應用在介質溫度-40℃以下的閥門稱作低溫閥，應用在介質溫度-101℃以下的閥門稱作超低溫閥門。
超低溫球閥主要應用于液化天然氣、液化石油氣以及空分行業的裝置上，輸出的液態低溫介質有：液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產品等。這些介質不但易燃易爆，而且在升溫或者閃蒸時會發生氣化，氣化時體積急劇膨脹，如果輸送這些流體的閥門中有密閉閥腔且結構設計不合理，則會造成閥腔超壓，從而導致介質泄漏，甚至閥門開裂造成事故。
2 超低溫球閥主要結構的設計特點
超低溫球閥因其使用介質和使用環境的特殊性，在結構設計上有著與其他種類閥門顯著不同的特點。
2.1 加長閥蓋設計及滴水板設計
低溫閥門的閥蓋均采用加長閥蓋的設計。加長閥蓋的設計要使閥門操作手柄和填料安裝位置遠離低溫區，既可以避免介質的低溫導致閥門操作者的冷灼傷，也可以使閥門的填料在正常的溫度下工作，保證填料不會受到霜凍的侵害而導致填料斷裂失效。另外，由于一般超低溫閥門保冷層會比較厚，加長的閥蓋也保證了保冷施工的空間，并使填料壓蓋位于保冷層外，添加填料及緊固壓蓋螺栓時，無須損壞保冷層。
有的廠家在超低溫球閥的加長閥蓋上，采用了滴水板設計。滴水板需設置在保冷層外側，可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部，保護保冷層及防止冷量流失。
表1為美國閥門及管件制造商標準化協會的標準MSSSP-134中給出的低溫閥加長桿的長度。各個廠家的產品在加長閥蓋的長度規定上會稍有不同，在設計時需參考選定廠家的產品尺寸。
2.2 防火設計及防靜電設計
由于超低溫球閥一般均應用在易燃易爆的介質上，防火設計及防靜電設計顯得尤為重要，是超低溫球閥結構的必要組成部分，不可缺少。超低溫球閥的防火設計與普通球閥的設計類似，在各環節的密封上采用石墨密封圈。防靜電設計采用彈簧式結構，避免靜電電荷累積產生的爆炸危險。
表1 低溫閥加長桿長度 mm
注：NPS表示閥門公稱直徑（DN）。
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2.3 閥腔泄壓設計及閥門的密封圈設計
超低溫球閥應用在易燃易爆且容易氣化的介質時，對于閥門密封結構有著特殊的要求。這是因為球閥在結構上一般會有密閉閥腔，由于介質氣化時體積急劇膨脹，球閥在密封結構設計上，一定要考慮密閉閥腔的泄壓要求。球閥按結構分為浮動球式及固定球式兩種。由于浮動球式超低溫球閥和固定球式超低溫球閥的閥門密封原理不同，在泄壓設計上，會有明顯的區別。
浮動球式球閥的密封依靠介質的壓力，把球體推向下游的密封面，從而達到密封的要求。所以一般浮動球式低溫球閥的密封結構為上游密封圈采用彈簧預緊式密封結構，泄壓采用在球體上鉆孔的方式。由于上游介質的壓力高，一般閥門的泄壓方向都采用向上游泄壓。彈簧預緊式閥座可以使球體在彈簧的作用下，壓向下游密封圈。這種密封結構的好處是使密封更可靠，同時球閥開啟扭矩也會減小。球體上鉆孔可以使閥腔與閥門上游相通，避免閥腔因介質氣化膨脹而局部升壓。
固定球式超低溫球閥的密封一般是雙向密封，即上下游密封圈要同時起到密封的作用。上游密封圈用單活塞式密封閥座，下游密封圈用雙活塞式密封閥座。單活塞閥座的原理為單向活塞式的作用，在密封副的設計上，考慮到因密封面兩個方向作用力的差值而產生的作用力方向的不同，從而使密封副在壓力差的推動下，產生相應方向的活塞運動（單活塞效應）。正常壓力下前閥座單活塞密封示意圖見圖1，在上游管道正常推力P
1大于反向推力P2時（P
1>P
2），在壓力差的作用下，把密封圈壓向球體，達到密封；而在閥腔壓力升高時，在此壓力的作用下，推開密封圈，使閥腔里的氣體泄向上游管道。
圖1 正常壓力下前閥座單活塞密封示意圖
中腔泄壓時前閥座單活塞密封示意圖見圖2，當閥門中腔有異常壓力時，中腔壓力大于流體壓力，且壓力差產生的推力滿足P3>P4+P5(P3為閥腔壓力作用在圖示作用面上的推力,P4為流體作用在閥座上端推力，P5為彈簧推力)，閥座在壓力的推動下，離開球體，泄放壓力。
圖2 中腔泄壓時前閥座單活塞密封示意圖
雙活塞閥座的原理與單活塞閥座的原理類似，只是在密封圈的設計上，要保證無論在下游管道壓力高于閥腔壓力時，還是在閥腔壓力高于下游管道壓力時，密封圈都能達到密封，從而避免閥腔氣體向下游泄壓并保護下游管道（雙活塞效應）。正常壓力下后閥座雙活塞密封示意圖見圖3，在正常壓力方向，由于閥腔壓力P6小于閥座彈簧壓力P7與流體壓力作用在圖示作用面上壓力P8之和(P6<P7+P8)，閥座在壓力作用下壓向球體，阻止介質通過。存在反向壓力時后閥座雙活塞密封示意圖見圖4，當有反向壓力的情況下，因為閥腔壓力P9>正向流體壓力P10，閥座在壓力作用下也會壓向球體，阻止介質通過。
閥座的主密封件采用唇式密封（Lipseal），以便確保低溫時閥門的密封性能，上游閥座因閥腔泄壓的需要，一般采用單向唇式密封圈，而下游閥座由于雙向密封的需要，采用雙向密封圈，如圖1~圖4所示。.
圖3 正常壓力下后閥座雙活塞密封示意圖
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圖4 存在反向壓力時后閥座雙活塞密封示意圖
不過不同的廠家在單活塞閥座以及雙活塞閥座的設計上，都有自己不同的特點，很多廠家也申請了設計專利，在此不一一贅述。
3 超低溫球閥的安裝注意事項
因為超低溫閥門的特殊結構，安裝閥門時，也應考慮相應的閥門結構特點，否則將會影響閥門的使用，導致閥門失效。
3.1 閥桿安裝角度
超低溫球閥不能水平安裝，即閥桿不可安裝在水平方向。這是由于超低溫閥加長閥蓋的結構特點要求的，否則低溫介質將充滿閥蓋的加長部分，造成閥門填料失效，并會將冷量傳給閥門手柄，給操作人員帶來人身傷害。
3.2 泄壓方向
如前所述，超低溫球閥一般向上游方向泄壓。這里要特別提出的是，這個上游方向并非一直是與管線流向相反的方向，準確地說應該是閥門關閉時的上游方向。比如，因為考慮維修而設在調節閥兩端的切斷閥的安裝方向應該相反，兩個切斷閥的泄壓方向均應背對調節閥的方向。這樣在調節閥的維修時，兩個切斷閥在關閉狀態時，可以分別向相連接的管道方向泄壓，否則閥門閥腔中的氣體將會泄向大氣而造成環境污染，并產生爆炸危險。所以在安裝閥門時，要特別注意閥門泄壓方向的要求。閥門泄壓的方向應在工藝流程圖上標出，并體現在管道軸測圖中。
3.3 閥門干燥要徹底
由于超低溫球閥閥門均在低溫工況下使用，對閥門的干燥提出了很高的要求。如果閥門里有積水存在，在低溫下水會結冰，體積膨脹，對閥門內部的部件會產生壓力，導致閥門密封不嚴，甚至結構損壞。超低溫閥門在水壓試驗后，要進行嚴格的干燥才能出廠。通常超低溫球閥閥門在現場不做水壓試驗，而用氣壓試驗代替。這是因為施工現場的條件有限，水壓試驗后閥門內積水去除不完全，干燥不徹底，影響閥門的正常使用。
4 結語
隨著液化天然氣的應用越來越廣泛，對天然氣管道系統安全的要求也會越來越高，對超低溫球閥結構設計還會不斷地提出更高的要求。在管道系統的設計、閥門的安裝及操作上要特別注意，才能保證系統的安全運行，減少對環境的污染和危害以及對人身的傷害。另外，盡早地完善我國關于低溫閥門的產品標準，也有利于提升國產閥門的質量水平，保證閥門的安全應用。
