球閥是以球體作為關閉件的閥門。其主要特點是流體阻力小、開關迅速方便、密封可靠性高、適用范圍和應用范圍廣等特點。經過這些年新型材料出現、加工水平的提高，球閥被廣泛應用。本文主要介紹在低溫及超低溫環境下球閥的結構設計及注意事項。

 

不同標準對低溫閥門有不同定義，一般將 -46~-150℃稱為低溫閥門 ，-150℃以下稱為超低溫閥門。低溫閥門與通用閥門的工作環境有很大區別，在低溫球閥的設計、制造、檢驗等過程除了要滿足一般球閥的要求外要注意以下幾點：

 

1 根據閥門較低工作溫度和工作介質選用合適的低溫材料

a.主體（閥體、閥蓋）材料的選用。低溫碳鋼主要有 ASTMA352 LCB/ ASTM A352 LCC（ASTM A350 LF2），溫度-46℃─-0℃時選用；ASTM A352 LCC（ASTM A350 LF2），溫度-100℃─-46℃時選用。奧氏體不銹鋼主要有 ASTM A351 CF8（ASTM F182 F304）/ ASTM A351 CF8M （ASTM A182F316）/ ASTM A351 CF3（ASTM A182 F304L）/ ASTM A351CF3M（ASTM A182 F316L），溫度-196℃─-100℃時選用。為了防止材料的冷脆現象，通常低溫材料選擇具有良好韌性、強度和焊接性且耐腐蝕的不銹鋼材料。

 

b. 低溫球閥閥桿材料一般常見的有 ASTM A182 F304、

ASTM A182 F316、ASTM A182 F304L、 ASTM A182F316L、ASTM A182 FXM-19 等。

 

c.密封圈的選用。現階段 RTFE 與 PCTFE 可以滿足低溫球閥的需要。PCTFE 的機械強度和硬度優于 RTFE，其價格也高于RTFE。

d. 低溫球閥的螺栓螺母碳鋼通常選用 ASTM A320 L7/ASTM A194 7 螺栓螺母, 不銹鋼通常選用 ASTM A320 B8 CL.2/ ASTM A194 8，ASTM A320 B8/ ASTM A194 8。在含硫化氫環境下，需要選擇抗硫化氫螺栓螺母。

 

e.其他材料的選用。填料通常選用柔性石墨、PTFE。墊片通

常選用不銹鋼纏繞墊片。軸承通常選用 304/316+PTFE。2 低溫球閥需要采用加長壓蓋設計，加長壓蓋尺寸參照SHELL SPE 77/200、BS6364 的要求。這樣做的目的既給管道保溫層留出足夠的空間，又使閥桿填料處于 0℃以上的密封狀態，防止閥門外漏。

 

3 低溫球閥關閉后，在閥體中的殘留低溫介質隨著時間的增加，因溫度升高而迅速氣化，其體積會急劇膨脹，造成閥門內部壓力迅速升高，所以體腔需要有卸壓功能。現階段較常用的體腔泄壓方式是以下兩種：a. 球體的中心設計一個泄壓孔 （圖1）。閥門關閉或打開時，由于球體開孔，閥門中腔和上游介質直接相通，杜絕了中腔超壓，但這樣造成閥門只能實現單項密封功能。b.閥座設計成 DBB 自卸壓閥座（圖 2）。一旦介質產生的中腔壓力超過彈簧預緊力與管道壓力之和時，閥座被中腔壓力推離球體，從而中腔產生的過高壓力，在閥門全關或全開位置，被自動釋放。

4 在低溫球閥壓蓋處設計滴水板，防止空氣中的水蒸氣液化流到閥門上結冰，從而損壞閥門。

5 與低溫介質接觸的所有金屬零件，要在粗加工后，精加工前在-196℃的液氮中進行深冷處理，深冷處理時間一般保持在2~3 小時。

 

6 介紹幾種常規低溫球閥結構。

 

a. 常規小口徑浮動設計。這種設計和常規浮動球閥差別不大，閥門處于關閉狀態時，介質從閥門上游施壓，球體能產生一定的位移并緊壓在閥門下游的密封面上，產生出口端密封。低溫球閥主要是要考慮低溫環境下密封圈的收縮性，設計時密封圈的壓縮量給定要比普通浮動球閥的大。

 

b.大口徑低溫浮動球閥的設計。常規浮動球閥，由于球體本身的重力直接由密封圈承受，當球體重力過大時，密封圈的不同位置受力將嚴重不均，造成密封圈不規則變形，影響閥門密封性能。所以當口徑大到一定程度后，不管壓力多低，都不適合常規浮動式球閥結構。大口徑低溫浮動球閥的設計需要保留固定球閥中下閥桿對球的支撐，但下閥桿和球體接觸處不安裝軸承。這樣保證了球體的重量不會全部集中在密封圈上。在閥門關閉時，由于下閥桿與球體之間留有一定的間隙，當壓力推動球體時，球體能在閥腔里小幅度移動，并緊壓在閥門出口端的密封面上，從而使下游閥座密封。大口徑低溫浮動球閥的上游需要設計彈簧，既能提供足夠的預緊力，又可以抵消介質載荷對閥座的沖擊，從而保證了密封圈的可靠密封。但是這種設計扭矩較大。

 

c.固定低溫球閥設計。常規球閥中 O 型圈有可靠的密封作用，但在低溫、超低溫環境中 O 型圈的密封性能并不可靠。Lipseal（彈簧蓄能密封圈）在低溫、超低溫環境中，不但可以像 O型圈一樣實現自密封，而且其密封性能隨著壓力的升高而升高。現階段低溫球閥主密封件必須選擇 Lipsea。這種設計和普通固定球閥類似只是把 O 型圈換成了 Lipsea。但 Lipsea 價格較貴，易損。對零件配合表面粗糙度要求較高，Lipsea 配合表面加工精度要求達到 0.1 到 0.2Ra。 安裝 Lipsea 也較麻煩，需要設計合理的安裝工裝。許多情況下客戶處于安全考慮會選擇 DBI-2 固定低溫球閥結構，這就要求閥座一端設計為單活塞閥座，另一端設計為雙活塞閥座。出于成本考慮大多的固定低溫設計只是在閥座密封位置使用 Lipsea，其余泄露位置使用填料或纏繞石墨墊片密封。如果閥門使用工況苛刻的情況下，除閥座處使用 Lipsea 外，其余泄露位置也需要設計 Lipsea，配合填料或纏繞石墨墊片一起密封。低溫球閥的設計標準，制造工藝、低溫檢驗、安裝方法本文不做不做詳細介紹，可以參照相應的標準。經過多年制造，低溫球閥技術已積累了豐富的經驗，從設計、工藝到制造日趨成熟。

 

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