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磁翻板液位計(jì)閥座和閥體間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低溫計(jì)算

磁翻板液位計(jì)閥座和閥體間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與低溫計(jì)算

時(shí)間:2019-11-13 14:00:20
【摘  要】基于現(xiàn)有磁翻板液位計(jì)常見結(jié)構(gòu)密封泄漏的分析,進(jìn)行了一種磁翻板液位計(jì)閥座和閥體間密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),給出了磁翻板液位計(jì)一些必要的計(jì)算內(nèi)容。
一、前言
近幾年隨著國民生活水平的提高,液化天然氣(LNG)被廣泛應(yīng)用,所需要的超低溫專用閥門的要求也逐漸提高。磁翻板液位計(jì)采用上裝式結(jié)構(gòu),密封材料選用非金屬,常用公稱尺寸NPS 1/2~24(DN 15~600),壓力等級(jí)Class150~1 500。
由于工況條件特殊,屬于超低溫狀態(tài),因此磁翻板液位計(jì)需經(jīng)合格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并基于低溫狀態(tài)裝配間隙和螺栓緊固力矩計(jì)算,才能保證其具有良好的性能。磁翻板液位計(jì)主要應(yīng)用于液化天然氣和空分行業(yè)的裝置上,輸出的液態(tài)介質(zhì)有:液化天然氣、液氧、液氫、液化乙烯、液氮以及液化石油氣等。其中部分介質(zhì)不但易燃易爆,且容易發(fā)生氣化,氣化時(shí)體積急劇膨脹,并促使壓力急劇上升,如果閥門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,則會(huì)造成中腔積壓,從而導(dǎo)致承壓邊界失效,甚至閥門開裂爆炸,造成嚴(yán)重傷亡事故。
二、現(xiàn)有閥座和閥體密封結(jié)構(gòu)
1.波紋管密封結(jié)構(gòu)
國外某公司的磁翻板液位計(jì)產(chǎn)品(見圖1)的閥座和閥體間密封采用波紋管式加纏繞墊組合密封結(jié)構(gòu)(見圖2),閥座、波紋管和螺紋座三者進(jìn)行密封焊連接,形成波紋管閥座組件。此組件無任何泄漏產(chǎn)生點(diǎn),螺紋座與閥體通過螺紋連接,螺紋座后設(shè)有密封墊片,密封墊片通過螺紋緊固并達(dá)到密封墊片所需的密封比壓;波紋管閥座組件上設(shè)有波紋管防旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),并通過螺紋連接的方式連接在閥體上,保證了波紋管在組件旋轉(zhuǎn)過程中與另外兩個(gè)部件相對(duì)靜止,不會(huì)因此而產(chǎn)生波紋管扭矩,并易于進(jìn)行拆卸。
波紋管機(jī)械密封#顯著的特點(diǎn)就是浮動(dòng)性好,因而對(duì)管道的振動(dòng)及球閥起閉過程中不會(huì)產(chǎn)生偏擺,密封性能可靠。此種結(jié)構(gòu)在中低壓工況經(jīng)過長(zhǎng)期使用,證明了其在超低溫下的高可靠性,并具有良好的密封效果,但因?yàn)槭懿y管特性及制造工藝水平影響,波紋管在大口徑閥門中使用效果不佳,波紋管密封球閥#大規(guī)格僅能做到NPS 6 Class 1 500磅級(jí),但在LNG接收站部分站點(diǎn)所需閥門口徑達(dá)到NPS 14以上,因此這種結(jié)構(gòu)無法滿足大口徑磁翻板液位計(jì)的要求。同時(shí)在高壓工況下,螺紋座背部密封墊片會(huì)出現(xiàn)密封比壓不足的情況,同時(shí)因?yàn)橐揽柯菁y旋緊壓縮纏繞墊,纏繞墊表面容易因摩擦而破壞,形成泄漏通道,造成閥門泄漏,影響LNG管道的正常運(yùn)行。
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2.泛塞密封結(jié)構(gòu)
國外某公司的磁翻板液位計(jì)閥座與閥體間采用泛塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行密封(見圖3),也是目前市場(chǎng)運(yùn)用#廣的一種閥體閥座密封結(jié)構(gòu)。在閥體和閥座間安裝有泛塞,泛塞由唇形密封圈加彈簧組成,彈簧安裝于唇口凹槽內(nèi),開口朝向高壓側(cè),此種結(jié)構(gòu)對(duì)閥座和閥體接觸表面加工要求極高,必須依據(jù)其泛塞尺寸進(jìn)行加工設(shè)計(jì),表面粗糙度高且配合間隙需達(dá)到過盈效果。在安裝時(shí)必須依靠外置工裝來實(shí)現(xiàn),拆裝難度較大。由于是上裝式結(jié)構(gòu),為使球體能順利裝入閥體內(nèi),閥座必須設(shè)置一定的退讓空間,安裝時(shí)泛塞會(huì)在此空間內(nèi)產(chǎn)生位移,容易因此而產(chǎn)生磨損導(dǎo)致密封失效。同時(shí)此退讓空間內(nèi)易存在一定的水、空氣,在低溫下空間內(nèi)容易結(jié)冰,導(dǎo)致閥座卡澀,影響閥門的密封效果。且通過經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證,當(dāng)介質(zhì)壓力逐漸升高時(shí),由于泛塞金屬表面僅能提供一道金屬密封,介質(zhì)會(huì)通過泛塞逐漸泄漏于中腔中。在長(zhǎng)期使用過程中,由于是浮動(dòng)式閥座結(jié)構(gòu),泛塞易在空間腔體內(nèi)發(fā)生滑移,造成密封表面磨損,存在潛在的內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn),密封具有不確定性。
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三、彈簧加載多級(jí)迷宮密封結(jié)構(gòu)
鑒于波紋管式密封結(jié)構(gòu)和泛塞密封結(jié)構(gòu)都存在潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn),從某LNG接收站了解到,上述兩種結(jié)構(gòu)的閥門在實(shí)際使用過程中效果不甚理想,都存在內(nèi)漏現(xiàn)象及超標(biāo),F(xiàn)開發(fā)出一種彈簧加載多級(jí)迷宮密封結(jié)構(gòu)(見圖4),將原來的泛塞進(jìn)行了性能改良,安裝于閥體與閥座之間,此種結(jié)構(gòu)包括支撐塊、V形彈簧、三組唇形密封圈和密封座。其中三組唇形密封圈分為上密封圈、中密封圈和下密封圈,中密封圈尾部固定于下密封圈開口,上密封圈尾部固定于中密封開口,三組唇形密封圈收尾相接安裝于密封座上,形成一個(gè)整體。V形彈簧安裝于上密封圈開口溝槽內(nèi),支撐塊卡在V形彈簧上,V形彈簧可以提供一個(gè)穩(wěn)定的彈力給唇形密封圈,在彈力作用下使其上下唇面緊壓于金屬表面。這種密封結(jié)構(gòu)安裝于磁翻板液位計(jì)閥座與閥體徑向密封處,唇形密封組件開口朝向高壓側(cè),使得壓力可以張緊密封唇口,同時(shí)補(bǔ)充了彈簧力,增加了唇口與金屬表面的接觸壓力。
唇形密封圈采用在低溫下耐收縮性能強(qiáng)的材質(zhì)制造,如改性聚四氟乙烯。此結(jié)構(gòu)與閥體金屬表面共能形成三道迷宮密封,且介質(zhì)壓力越高,所能提供的密封能力越強(qiáng),消除了泄漏的可能性,即使因長(zhǎng)期使用過程中地衣道密封產(chǎn)生失效,介質(zhì)逐漸從地衣道密封滲透到第二道密封中,由于迷宮效應(yīng),后續(xù)壓力逐漸減小,第二、第三道密封仍可在介質(zhì)壓力作用下與金屬表面形成良好的密封,大大增強(qiáng)了磁翻板液位計(jì)在超低溫工況下的密封性能。
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四、低溫計(jì)算
在超低溫工況下,閥門材料會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s而發(fā)生一定形變,導(dǎo)致閥門內(nèi)部零部件尺寸發(fā)生變化,同時(shí)包括螺栓預(yù)緊力、閥桿扭轉(zhuǎn)角和彈簧剛度等,下面將重點(diǎn)介紹基于超低溫工況的幾種計(jì)算方法。
1.閥桿與軸承間隙
超低溫上裝式球閥的閥桿與閥蓋之間設(shè)有滑動(dòng)軸承,軸承起到支撐閥桿、防止閥桿發(fā)生徑向偏移的作用。當(dāng)閥門處于超低溫環(huán)境中時(shí),因冷縮現(xiàn)象將導(dǎo)致閥桿與軸承配合尺寸縮短,導(dǎo)致閥桿卡澀,因此需對(duì)閥桿和軸承之間的配合間隙進(jìn)行低溫差修正計(jì)算。設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注的尺寸偏差與配合是以常溫20℃為基準(zhǔn)的。超低溫閥門其閥桿和滑動(dòng)軸承之間的間隙低溫修正計(jì)算公式為
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式(1)和式(2)中,負(fù)號(hào)用在溫度提高孔的尺寸擴(kuò)大的情況下,正號(hào)用在溫度提高孔的尺寸縮小的情況下。
2.螺栓預(yù)緊力
閥體閥蓋間連接螺栓是在常溫下進(jìn)行裝配和緊固,當(dāng)閥門處于超低溫環(huán)境中時(shí),緊固螺栓、螺母、墊片等零部件會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象,由于各不同材質(zhì)零部件的線膨脹系數(shù)不相同,其收縮量也會(huì)產(chǎn)生差異,螺栓有可能會(huì)發(fā)生松弛,導(dǎo)致閥門外漏情況嚴(yán)重。所以,在常溫下緊固螺栓時(shí),必須考慮其在低溫下的影響。常溫時(shí)螺栓預(yù)緊力由補(bǔ)償溫差所需的預(yù)緊力F 1 、克服內(nèi)壓所需要的預(yù)緊力F 2 和閥門工作時(shí)保證密封墊正常工作所需的預(yù)緊力F 3 組成。
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3.加長(zhǎng)閥桿扭轉(zhuǎn)角
磁翻板液位計(jì)閥蓋需進(jìn)行加長(zhǎng)設(shè)計(jì),以使閥門上部填料和操作機(jī)構(gòu)院秒閥體內(nèi)的低溫介質(zhì)。加長(zhǎng)閥蓋應(yīng)足夠長(zhǎng)以提供絕緣氣柱,防止填料區(qū)域和操作機(jī)構(gòu)凍結(jié),閥桿也需要進(jìn)行加長(zhǎng)設(shè)計(jì)。在球閥進(jìn)行四分之一回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí),加長(zhǎng)閥桿會(huì)形成一定扭轉(zhuǎn)角,需要對(duì)扭轉(zhuǎn)角數(shù)值進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證,以確定加長(zhǎng)閥桿比例,在扭轉(zhuǎn)載荷下,閥桿扭矩受閥桿扭轉(zhuǎn)角的限制,因此也就受到了閥桿材料的臨界剪切應(yīng)力的限制。應(yīng)如此設(shè)定閥桿直徑和閥桿長(zhǎng)度的比例。按照MSS-SP 134標(biāo)準(zhǔn)
4.6.4節(jié)規(guī)定,球閥閥桿長(zhǎng)度和閥桿直徑相結(jié)合使閥桿偏轉(zhuǎn)角或扭轉(zhuǎn)角限制為π/90弧度(2°),扭轉(zhuǎn)角根據(jù)下列等式確定。
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5.密封面計(jì)算
物體會(huì)由于溫度改變而發(fā)生脹縮現(xiàn)象,單位溫度變化所導(dǎo)致的物體長(zhǎng)度變化常用線膨脹系數(shù)所示,在超低溫工況下,閥座密封圈會(huì)出現(xiàn)收縮,如仍按照常溫設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果給定密封面寬度,會(huì)因?yàn)槊芊饷媸湛s而導(dǎo)致低溫泄漏,因此在密封面設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),需根據(jù)材料線膨脹系數(shù)給密封圈高度、密封面寬度一定的收縮裕量。
五、結(jié)語
彈簧加載多級(jí)迷宮密封結(jié)構(gòu)磁翻板液位計(jì)密封性能遠(yuǎn)優(yōu)于波紋管密封結(jié)構(gòu)和泛塞密封結(jié)構(gòu)磁翻板液位計(jì),在超低溫工況下具有高可靠性,且不會(huì)受閥門壓力和口徑影響。磁翻板液位計(jì)在設(shè)計(jì)時(shí),在滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求前提下,還必須依據(jù)實(shí)際工況條件進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),應(yīng)對(duì)關(guān)鍵零部件在低溫狀態(tài)下配合的間隙以及螺栓的緊固力矩進(jìn)行計(jì)算,以保證閥門在超低溫下工作時(shí)不出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象,同時(shí)螺栓預(yù)緊力必須滿足墊片在低溫狀態(tài)下的密封比壓要求,從而保證磁翻板液位計(jì)在超低溫環(huán)境中的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。
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