1 概述
隨著液化天然氣（LNG）技術的快速發展，對超低溫高壓球閥（簡稱球閥———下同）性能提出了越來越高的要求。球閥主要用于低溫和超低溫管路系統中，接通或截斷管路中工作介質的流動，從而能保證管路系統的正常運行。本文主要探討球閥閥座和閥體中腔泄壓結構的特點。
2 結構特點
球閥采用上裝固定球結構（圖1），以降低在-196℃超低溫環境下由于材料熱膨脹性變化而導致摩擦系數升高所帶來的啟閉扭矩增大的問題。
1.閥體2.閥座3.球體4.閥蓋5.驅動裝置6.支架
圖1 超低溫高壓球閥
2.1 撥叉自復位式閥座閥座
密封預緊力由安放在彈簧保持架中施壓于閥座肩部的多個圓柱螺旋壓縮彈簧提供，該力恢復并補償長期開關閥門導致的密封面磨損及閥體內部的高低溫熱力變化，保證密封的可靠性。閥座為撥叉自復位式（圖2），閥門拆卸檢修時將帶凹槽的調整墊轉動到閥座突出部位，閥座凸臺嵌入調整墊凹槽內，使閥座脫離球體，即可方便球體從閥門中法蘭處取出，避免了安裝、維修時彈簧壓縮行程過大，對彈簧預緊力產生影響。
1.彈簧保持架2.密封圈3.護套
4.閥座5.彈簧蓄能圈6.彈簧7.調整墊
圖2 撥叉自復位式閥座
2.2 密封圈
在-196℃低溫狀態下，由于非金屬材料韌性好，彈性大，密封所需比壓較小，采用了金屬對非金屬組合密封副，即閥座采用金屬材料，密封圈采用VESPELSP21材料。VESPELSP21熱膨脹性較小，滲透性、熔點和熔融粘度、摩擦系數和水－汽滲透率較低，不滲透任何氣體，為不助燃的密封聚合物。在LNG－196℃高壓輸送管路中，VESPELSP21不發生脆裂，不蠕變，彈性和韌性較好，與PCTFE相比能承受更高載荷，其耐低溫性、耐磨損性、抗變形能力好，使其在高壓力低溫環境下更容易密封（表1）。但是，VESPELSP21硬度較低，容易出現擦傷和劃痕，使閥門出現泄漏。另外，VESPELSP21價格高，其成本是PCTFE的幾倍。
表1 VESPELSP21的力學性能
3 自泄壓結構
LNG氣化后體積將擴大為原來的600多倍，存在異常升壓的問題。當閥門關閉后，殘留在閥體腔內的LNG從周圍環境中大量吸收熱量迅速氣化，在閥體內產生很高的壓強，從而破壞球體及閥座組件，使閥門不能正常工作，所以在LNG超低溫環境下的閥門都需要設置泄壓結構，以防止腔體內異常升壓。
3.1 自泄壓式閥座
自泄壓閥座（圖3）又稱為上游密封自動泄壓式閥座。上游密封是指閥門使用時靠上游閥座起密封作用，當管道內為低壓力或無壓力時，通過閥座背面設置的彈簧提供初始密封預緊力從而保證在此狀態下的密封性能。當管道內為正壓力時，通過介質壓力將上游閥座推向球面形成密封。當閥門中腔壓力升高至工作壓力的1.33倍時，中腔壓力反推閥座，壓縮預緊彈簧，是閥座脫離球面形成泄放通道，從而保證中腔壓力順利泄放（圖4），不會出現不穩定介質在閥腔內發生化學變化或相態變化而引起的異常升壓，避免中腔壓力異常升壓帶來的安全隱患。
圖3 自泄壓閥座
由于受壓面積A4＞A3，當閥腔壓力增至1.33倍工作壓力時，閥座克服彈簧預緊力，推開閥座，使之與球體產生間隙，內腔過載壓力自動泄放到上游管線中。
圖4 泄壓
下游閥座（圖5）是雙密封閥座，其結構使閥座緊貼球面達到密封。此結構既能保證閥座在工作時上下游同時起密封作用，又同時具備防止中腔升壓向上游泄放功能。
在管道壓力下受壓面積A1＞A2，閥門中腔壓力下受壓面積A3＞A4，閥座始終緊貼球面達到密封。
圖5 雙密封閥座
3.2 單泄放式彈簧蓄能圈
對小于或等于200mm口徑的閥門，可以利用彈簧蓄能圈單向密封的特點，使閥腔泄壓（圖6）。球閥關閉，中腔壓力升高時，下游為雙隔離雙向密封結構，無法泄壓。上游因為選擇單向密封彈簧蓄能圈，無法形成活塞效應，當壓力繼續升高至一定壓力時，則可通過彈簧蓄能圈的背面泄漏至管道而完成泄壓功能。利用彈簧蓄能圈背面泄壓，可以使上下游閥座尺寸、密封件尺寸、活塞徑向尺寸一致，從而減少閥門加工、裝配和維修的難度，并且可以降低閥門的扭矩。
圖6 利用彈簧圈泄壓
3.3 泄壓裝置
對大于200mm以上球閥，采用設置自動泄壓裝置解決閥腔內部壓力升高的問題。大多數常規球閥一般選擇在閥體上增設泄放閥釋放閥腔內部的壓力。但是LNG用球閥由于其使用在超低溫工況環境下，如果向外界釋放壓力則會對環境和安全等造成影響。根據工藝管道要求，在球體上安裝一個具有單向導通功能的自動泄放閥向上、下游管道釋放閥腔壓力（圖7）。當球體沿A方向受管道壓力時，球體上的自動泄放閥由于受到自身彈簧預緊力和介質作用力的作用使內件關閉，處于密封狀態。當閥腔受外界影響，發生壓力改變，球體受到沿B方向作用的閥腔作用力，當異常達到一定壓力時，沿B向的作用力克服泄放閥彈簧預緊力，推開泄放閥內件，使泄放閥打開，形成一個泄放孔，從而泄放掉閥腔內部的壓力，使閥門可以安全正常工作。
1.球體2.泄壓閥
圖7 球體上設置泄壓閥
4 結語
超低溫高壓球閥開關迅速，密封安全可靠，可在線維修，拆卸簡單迅速，方便快捷，保證了系統的安全可靠運行，減少了對環境的污染和危害。
