球阀是以球体作为关闭件的阀门。其主要特点是流体阻力小、开关迅速方便、密封可靠性高、适用范围和应用范围广等特点。经过这些年新型材料出现、加工水平的提高，球阀被广泛应用。本文主要介绍在低温及超低温环境下球阀的结构设计及注意事项。

 

不同标准对低温阀门有不同定义，一般将 -46~-150℃称为低温阀门 ，-150℃以下称为超低温阀门。低温阀门与通用阀门的工作环境有很大区别，在低温球阀的设计、制造、检验等过程除了要满足一般球阀的要求外要注意以下几点：

 

1 根据阀门较低工作温度和工作介质选用合适的低温材料

a.主体（阀体、阀盖）材料的选用。低温碳钢主要有 ASTMA352 LCB/ ASTM A352 LCC（ASTM A350 LF2），温度-46℃─-0℃时选用；ASTM A352 LCC（ASTM A350 LF2），温度-100℃─-46℃时选用。奥氏体不锈钢主要有 ASTM A351 CF8（ASTM F182 F304）/ ASTM A351 CF8M （ASTM A182F316）/ ASTM A351 CF3（ASTM A182 F304L）/ ASTM A351CF3M（ASTM A182 F316L），温度-196℃─-100℃时选用。为了防止材料的冷脆现象，通常低温材料选择具有良好韧性、强度和焊接性且耐腐蚀的不锈钢材料。

 

b. 低温球阀阀杆材料一般常见的有 ASTM A182 F304、

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

 

c.密封圈的选用。现阶段 RTFE 与 PCTFE 可以满足低温球阀的需要。PCTFE 的机械强度和硬度优于 RTFE，其价格也高于RTFE。

d. 低温球阀的螺栓螺母碳钢通常选用 ASTM A320 L7/ASTM A194 7 螺栓螺母, 不锈钢通常选用 ASTM A320 B8 CL.2/ ASTM A194 8，ASTM A320 B8/ ASTM A194 8。在含硫化氢环境下，需要选择抗硫化氢螺栓螺母。

 

e.其他材料的选用。填料通常选用柔性石墨、PTFE。垫片通

常选用不锈钢缠绕垫片。轴承通常选用 304/316+PTFE。2 低温球阀需要采用加长压盖设计，加长压盖尺寸参照SHELL SPE 77/200、BS6364 的要求。这样做的目的既给管道保温层留出足够的空间，又使阀杆填料处于 0℃以上的密封状态，防止阀门外漏。

 

3 低温球阀关闭后，在阀体中的残留低温介质随着时间的增加，因温度升高而迅速气化，其体积会急剧膨胀，造成阀门内部压力迅速升高，所以体腔需要有卸压功能。现阶段较常用的体腔泄压方式是以下两种：a. 球体的中心设计一个泄压孔 （图1）。阀门关闭或打开时，由于球体开孔，阀门中腔和上游介质直接相通，杜绝了中腔超压，但这样造成阀门只能实现单项密封功能。b.阀座设计成 DBB 自卸压阀座（图 2）。一旦介质产生的中腔压力超过弹簧预紧力与管道压力之和时，阀座被中腔压力推离球体，从而中腔产生的过高压力，在阀门全关或全开位置，被自动释放。

4 在低温球阀压盖处设计滴水板，防止空气中的水蒸气液化流到阀门上结冰，从而损坏阀门。

5 与低温介质接触的所有金属零件，要在粗加工后，精加工前在-196℃的液氮中进行深冷处理，深冷处理时间一般保持在2~3 小时。

 

6 介绍几种常规低温球阀结构。

 

a. 常规小口径浮动设计。这种设计和常规浮动球阀差别不大，阀门处于关闭状态时，介质从阀门上游施压，球体能产生一定的位移并紧压在阀门下游的密封面上，产生出口端密封。低温球阀主要是要考虑低温环境下密封圈的收缩性，设计时密封圈的压缩量给定要比普通浮动球阀的大。

 

b.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。

 

c.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。对零件配合表面粗糙度要求较高，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。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。

 

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