【摘 要】基于現有磁翻板液位計常見結構密封泄漏的分析，進行了一種磁翻板液位計閥座和閥體間密封結構設計，給出了磁翻板液位計一些必要的計算內容。
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。磁翻板液位計采用上裝式結構，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)，因此磁翻板液位計需經合格結構設計，并基于低溫狀態(tài)裝配間隙和螺栓緊固力矩計算，才能保證其具有良好的性能。磁翻板液位計主要應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。其中部分介質不但易燃易爆，且容易發(fā)生氣化，氣化時體積急劇膨脹，并促使壓力急劇上升，如果閥門結構設計不合理，則會造成中腔積壓，從而導致承壓邊界失效，甚至閥門開裂爆炸，造成嚴重傷亡事故。
二、現有閥座和閥體密封結構
1.波紋管密封結構
國外某公司的磁翻板液位計產品（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構（見圖2），閥座、波紋管和螺紋座三者進行密封焊連接，形成波紋管閥座組件。此組件無任何泄漏產生點，螺紋座與閥體通過螺紋連接，螺紋座后設有密封墊片，密封墊片通過螺紋緊固并達到密封墊片所需的密封比壓；波紋管閥座組件上設有波紋管防旋轉機構，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過程中與另外兩個部件相對靜止，不會因此而產生波紋管扭矩，并易于進行拆卸。
波紋管機械密封#顯著的特點就是浮動性好，因而對管道的振動及球閥起閉過程中不會產生偏擺，密封性能可靠。此種結構在中低壓工況經過長期使用，證明了其在超低溫下的高可靠性，并具有良好的密封效果，但因為受波紋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，但在LNG接收站部分站點所需閥門口徑達到NPS 14以上，因此這種結構無法滿足大口徑磁翻板液位計的要求。同時在高壓工況下，螺紋座背部密封墊片會出現密封比壓不足的情況，同時因為依靠螺紋旋緊壓縮纏繞墊，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管道的正常運行。
2.泛塞密封結構
國外某公司的磁翻板液位計閥座與閥體間采用泛塞結構進行密封（見圖3），也是目前市場運用#廣的一種閥體閥座密封結構。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，開口朝向高壓側，此種結構對閥座和閥體接觸表面加工要求極高，必須依據其泛塞尺寸進行加工設計，表面粗糙度高且配合間隙需達到過盈效果。在安裝時必須依靠外置工裝來實現，拆裝難度較大。由于是上裝式結構，為使球體能順利裝入閥體內，閥座必須設置一定的退讓空間，安裝時泛塞會在此空間內產生位移，容易因此而產生磨損導致密封失效。同時此退讓空間內易存在一定的水、空氣，在低溫下空間內容易結冰，導致閥座卡澀，影響閥門的密封效果。且通過經過多次試驗驗證，當介質壓力逐漸升高時，由于泛塞金屬表面僅能提供一道金屬密封，介質會通過泛塞逐漸泄漏于中腔中。在長期使用過程中，由于是浮動式閥座結構，泛塞易在空間腔體內發(fā)生滑移，造成密封表面磨損，存在潛在的內漏風險，密封具有不確定性。
三、彈簧加載多級迷宮密封結構
鑒于波紋管式密封結構和泛塞密封結構都存在潛在的泄漏風險，從某LNG接收站了解到，上述兩種結構的閥門在實際使用過程中效果不甚理想，都存在內漏現象及超標。現開發(fā)出一種彈簧加載多級迷宮密封結構（見圖4），將原來的泛塞進行了性能改良，安裝于閥體與閥座之間，此種結構包括支撐塊、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，形成一個整體。V形彈簧安裝于上密封圈開口溝槽內，支撐塊卡在V形彈簧上，V形彈簧可以提供一個穩(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。這種密封結構安裝于磁翻板液位計閥座與閥體徑向密封處，唇形密封組件開口朝向高壓側，使得壓力可以張緊密封唇口，同時補充了彈簧力，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的材質制造，如改性聚四氟乙烯。此結構與閥體金屬表面共能形成三道迷宮密封，且介質壓力越高，所能提供的密封能力越強，消除了泄漏的可能性，即使因長期使用過程中地衣道密封產生失效，介質逐漸從地衣道密封滲透到第二道密封中，由于迷宮效應，后續(xù)壓力逐漸減小，第二、第三道密封仍可在介質壓力作用下與金屬表面形成良好的密封，大大增強了磁翻板液位計在超低溫工況下的密封性能。
四、低溫計算
在超低溫工況下，閥門材料會因為熱脹冷縮而發(fā)生一定形變，導致閥門內部零部件尺寸發(fā)生變化，同時包括螺栓預緊力、閥桿扭轉角和彈簧剛度等，下面將重點介紹基于超低溫工況的幾種計算方法。
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有滑動軸承，軸承起到支撐閥桿、防止閥桿發(fā)生徑向偏移的作用。當閥門處于超低溫環(huán)境中時，因冷縮現象將導致閥桿與軸承配合尺寸縮短，導致閥桿卡澀，因此需對閥桿和軸承之間的配合間隙進行低溫差修正計算。設計圖樣標注的尺寸偏差與配合是以常溫20℃為基準的。超低溫閥門其閥桿和滑動軸承之間的間隙低溫修正計算公式為
式（1）和式（2）中，負號用在溫度提高孔的尺寸擴大的情況下，正號用在溫度提高孔的尺寸縮小的情況下。
2.螺栓預緊力
閥體閥蓋間連接螺栓是在常溫下進行裝配和緊固，當閥門處于超低溫環(huán)境中時，緊固螺栓、螺母、墊片等零部件會發(fā)生收縮現象，由于各不同材質零部件的線膨脹系數不相同，其收縮量也會產生差異，螺栓有可能會發(fā)生松弛，導致閥門外漏情況嚴重。所以，在常溫下緊固螺栓時，必須考慮其在低溫下的影響。常溫時螺栓預緊力由補償溫差所需的預緊力F 1 、克服內壓所需要的預緊力F 2 和閥門工作時保證密封墊正常工作所需的預緊力F 3 組成。
3.加長閥桿扭轉角
磁翻板液位計閥蓋需進行加長設計，以使閥門上部填料和操作機構院秒閥體內的低溫介質。加長閥蓋應足夠長以提供絕緣氣柱，防止填料區(qū)域和操作機構凍結，閥桿也需要進行加長設計。在球閥進行四分之一回轉運動時，加長閥桿會形成一定扭轉角，需要對扭轉角數值進行計算驗證，以確定加長閥桿比例，在扭轉載荷下，閥桿扭矩受閥桿扭轉角的限制，因此也就受到了閥桿材料的臨界剪切應力的限制。應如此設定閥桿直徑和閥桿長度的比例。按照MSS-SP 134標準
4.6.4節(jié)規(guī)定，球閥閥桿長度和閥桿直徑相結合使閥桿偏轉角或扭轉角限制為π/90弧度（2°），扭轉角根據下列等式確定。
5.密封面計算
物體會由于溫度改變而發(fā)生脹縮現象，單位溫度變化所導致的物體長度變化常用線膨脹系數所示，在超低溫工況下，閥座密封圈會出現收縮，如仍按照常溫設計計算結果給定密封面寬度，會因為密封面收縮而導致低溫泄漏，因此在密封面設計計算時，需根據材料線膨脹系數給密封圈高度、密封面寬度一定的收縮裕量。
五、結語
彈簧加載多級迷宮密封結構磁翻板液位計密封性能遠優(yōu)于波紋管密封結構和泛塞密封結構磁翻板液位計，在超低溫工況下具有高可靠性，且不會受閥門壓力和口徑影響。磁翻板液位計在設計時，在滿足相關標準要求前提下，還必須依據實際工況條件進行合理的結構設計，應對關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行計算，以保證閥門在超低溫下工作時不出現卡阻現象，同時螺栓預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在超低溫環(huán)境中的安全、穩(wěn)定運行。
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