摘要：详述了超低温球阀的结构特点及设计：采用加长阀盖设计及滴水板设计、防火及防静电设计、阀腔泄压阀门密封圈的设计等。同时针对阀门密封圈的设计，重点介绍了单活塞密封和双活塞密封型式的结构特点及密封原理。并介绍了阀门安装注意事项，如阀门安装角度的要求、阀门泄压的方向要求等。
关键词：超低温球阀；抗结冰；结构设计
引言
在日常的生产和生活中阀门无处不在，所有的输水管道都离不开各种阀门的控制，球阀具有结构简单、安装空间小的优点，并且球阀采用介质力密封，不宜受到外界驱动力的影响，对于各种工况都较为适用，被广泛应用，给人们的生产和生活带来的极大的方便。一般的普通阀门主要是由阀体、阀盖、阀球和阀杆等部分组成的，阀门主要通过阀球的旋转进行启闭来对水的流动进行控制，但是由于在冬季人们使用阀门的时候，如果阀门或者管道的保温措施做得不够好，同时管道和阀门内部间隙残留部分水，常常会发生由于气候寒冷、管道水发生凝固和膨胀，从而将阀门涨破，在北方寒冷季节此种现象更为普遍。阀门产生报废不仅会造成一定的经济损失，最主要的会使得管道内的水失去控制，从而产生大量的泄漏，对正常的生产和生活造成影响。严重时会发生水灾，对人们的生命和财产安全造成一定的威胁。在北方地区的一些自来水公司，一旦发生此类事故，都会在冬季组织相应的抢修进行处理。可见此类事故不仅会造成他人财产的浸渍和房屋的塌陷，严重时还会引起诉讼和巨额赔偿的支付，从而耗费大量的人力、物力和财力。
1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。
2常规低温球阀结构
2.1大口径低温浮动球阀的设计
常规浮动球阀，由于球体本身的重力直接由密封圈承受，当球体重力过大时，密封圈的不同位置受力将严重不均，造成密封圈不规则变形，影响阀门密封性能。所以当口径大到一定程度后，不管压力多低，都不适合常规浮动式球阀结构。大口径低温浮动球阀的设计需要保留固定球阀中下阀杆对球的支撑，但下阀杆和球体接触处不安装轴承。这样保证了球体的重量不会全部集中在密封圈上。在阀门关闭时，由于下阀杆与球体之间留有一定的间隙，当压力推动球体时，球体能在阀腔里小幅度移动，并紧压在阀门出口端的密封面上，从而使下游阀座密封。大口径低温浮动球阀的上游需要设计弹簧，既能提供足够的预紧力，又可以抵消介质载荷对阀座的冲击，从而保证了密封圈的可靠密封。但是这种设计扭矩较大。
2.2固定低温球阀设计
常规球阀中O型圈有可靠的密封作用，但在低温、超低温环境中O型圈的密封性能并不可靠。Lipseal（弹簧蓄能密封圈）在低温、超低温环境中，不但可以像O型圈一样实现自密封，而且其密封性能随着压力的升高而升高。现阶段低温球阀主密封件必须选择Lipsea。这种设计和普通固定球阀类似只是把O型圈换成了Lipsea。但Lipsea价格较贵，易损。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对零件配合表面粗糙度要求极高，Lipsea配合表面加工精度要求达到0.1到0.2Ra。安装Lipsea也较麻烦，需要设计合理的安装工装。许多情况下客户处于安全考虑会选择DBI-2固定低温球阀结构，这就要求阀座一端设计为单活塞阀座，另一端设计为双活塞阀座。出于成本考虑大多的固定低温设计只是在阀座密封位置使用Lipsea，其余泄露位置使用填料或缠绕石墨垫片密封。如果阀门使用工况苛刻的情况下，除阀座处使用Lipsea外，其余泄露位置也需要设计Lipsea，配合填料或缠绕石墨垫片一起密封。
3超低温球阀的工作原理
此类型的超低温球阀在抗结冰和防冻裂的方面很巧妙的利用气体和水的体积随着温度的变化而变化的物理特性进行设计，由于水会随着温度的降低直至结冰体积会逐渐的膨胀，此过程会对阀门产生很大的压力，而气体则与之相反，其会随着温度的降低和外界压力的增大体积会逐渐缩小，并且其他相对于水而言性质毕竟活泼，因此在温度降低的过程中其收缩程度会远远大于水在温度降低时的膨胀程度，因此阀体内的气胎在阀体内水结冰而产生膨胀时会迅速发生收缩，从而为水的膨胀让出更多的空间，完全能够将冰的膨胀进行容纳，从而彻底将冰膨胀部门所产生的压力进行彻底的消除，以此来对球阀进行保护。相比较而言，对于阀体内没有设置气胎的普通阀门，由于阀体内没有足够的调节空间，因此在水的温度降低直至结冰的过程中，体积发生膨胀，膨胀过程所产生的压力均全部作用在球阀的内壁之上，而球阀是密闭的，这便会给阀体带来很大的压力，当阀体无法承受这种压力的时候便会被涨破，从而便会造成阀门的报废和管道的泄漏。
4超低温球阀的应用
此种超低温球阀最主要的结构特点就是在普通阀门的基础上增设了两胎腔和两个气胎，结构并不复杂，因此对流量不会产生任何影响，只是由于阀体的加长和气胎的增设，其相应的生产成本会有所增加。当时其抗结冰和防冻裂性能等功能与普通阀门相比效果会好很多，对于我国的北方地区乃至世界的寒冷地区中都非常适用。首先对于城市的自来水管道和暖通管道来说，应用此种球阀可以有效减少冬季对于阀门的维护数量，避免泄漏事故和诉讼赔偿的发生，以此节省了大量的人力、物力和财力。不仅在生活用水的供水管道方面，对于工业领域，此种球阀也可用求其他工业液体管道的阀门防冻裂，尤其对于北方地区一些季节性较强的工厂或者矿区，冬季会停止生产，应用此种超低温球阀便能够很好的避免反复的拆装，也可以进行良好的供热防冻，从而节省了大量的开支。其次对于农村的灌溉管道和城市的绿化用管道，由于冬季也会停止灌溉，并且管道一般会埋置比较浅，有的甚至不得不安装在露天或者野外的地方，应用此种球阀能够在冬季有效避免将阀门冻裂从而减少大量的损失。对于人们日常生活方面，此种超低温球阀更体现出了它的作用，比如在冬季维修停暖或者锅炉停电的时候，此种球阀可以有效防止暖气管道上的阀门被冻裂。而当居民冬季外出长期不在家时其防冻裂效果也能够有效避免水灾的灾害和损失。即使对于夏季或者一些整年不会发生结冰的地方，此种超低温球阀的应用也能够有效缓解管道气锤或者局部增压对于管道等设施的影响，从而有效避免爆管等事故的发生。最后对于其他领域此种超低温球阀亦能发挥其独有的特殊作用，比如对于科学试验、长途运输、地质勘探和科学考查等需要野外作业的工作，工作人员所使用的临时性仪器、设备及设施都会配有一定的阀门，应用此种阀门可以有效消除阀门由于在室外产生冻裂而带来的种种不便，保证工作人员工作的顺利进行。
结语
低温球阀的设计标准，制造工艺、低温检验、安装方法本文不做不做详细介绍，可以参照相应的标准。经过多年制造，低温球阀技术已积累了丰富的经验，从设计、工艺到制造日趋成熟。
参考文献
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[2]胡军，刘晓春，宋忠荣，等.液化天然气用阀门检验标准的分析与研究[J].阀门，2015（1）：36~39．
论文作者:1宋楹,2郭孟光,3牛石磊,4丁建立
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/30
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