黄翔
耕恒电子科技（上海）有限公司上海 202153
摘要：特殊阀门设计在各行各业的应用十分常见，常见于LNG的存储与运输中，这些年随着LNG行业的发展，对低温紧急切断阀设计的要求越来高，所以在设计时需要从基本原理与特点出发，合理确定阀体材质、阀体强度、密封比压等相关参数，提升低温紧急切断阀设计质量，满足行业实际使用需求。
关键词：紧急切断阀；参数确定；材料选择；阀杆受力
引言：
低温紧急切断阀一般需要定制，对设计的要求较高，需要控制好各个环节及细节，这样才能确保低温紧急切断阀设计质量，发挥低温紧急切断阀在实际应用中的作用。在LNG槽罐车、LNG接收站及调峰站等中，低温紧急切断阀的应用比较广泛，当系统出现故障后，可以通过低温紧急切断阀及时切断LNG的流通，以防止发生LNG泄漏引起火灾事故。所以对于低温紧急切断阀设计的探究具有重要意义。
1低温紧急切断阀的应用现状
低温紧急切断阀的应用比较广泛，常见于LNG接收站、调峰站、部分工厂的动力备用站、火车罐车用、液化气体罐车用等不同的场合，当出现火灾时，能及时切断阀门，确保设备的安全运行。目前低温紧急切断阀主要分为电磁式、气动式、机械式等几种[1]。LNG领域低温紧急切断阀的应用期间，阀门在低温深冷处理之后，能将应力释放，这样材料的性能可以保持在低温下，在加工时精准度更高，也能避免在低温工作中阀门发生变形，防止泄漏问题的发生。但天然气及LNG行业在我国的发展具有重要意义，能对社会经济的发展起到极大促进作用。这些年我国LNG接收站、液化工厂等建设步伐不断加快，社会对于天然气的需求持续增加。为确保天然气的安全稳定供应，低温紧急切断阀的应用发挥着重要作用。为确保阀门在运行期间的安全性与可靠性，需做好低温紧急切断阀的设计工作，是由于LNG领域的发展，对低温紧急切断阀的设计质量提出更高要求，因此需要针对实际情况，提升低温紧急切断阀设计质量，满足行业实际需求。
2低温紧急切断阀的设计
2.1基本理念
气动式低温紧急切断阀（球阀）的工作原理并不复杂，活塞式角行程气动执行器在受到弹簧力作用时顺时针转动，使阀门保持在关闭状态，当阀门需要打开时，则通过执行器上面的电磁阀控制压缩空气进入气动执行器，压缩空气的压力作用在活塞上推动弹簧压缩，使执行器逆时针转动90度，从而阀门完全打开；当阀门需要关闭式或者系统故障导致电磁阀断电断气的情况下，弹簧力作用在活塞上使执行器顺时针转动90度，阀门关闭，当温度为65~200℃时（可根据设计要求选择符合此温度范围的不同温度等级易熔塞），控制气路上的易熔塞熔化，导致压缩空气无法提供给气缸压力，此时活塞可以在弹簧的作用顺时针转动90度，驱动阀杆顺时针转动90度，阀门就可以及时关闭，避免介质进行流动，这样能将危险进行有效控制，确保设备安全[2]。
2.2组成部分
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低温紧急切断阀的组成部分较多，阀体、阀芯等是主要组成部分，同时还包括其他零部件，比如密封垫、指示板等。具体组成部分见表1：
表1 低温紧急切断阀的主要组成
2.3材料选择
低温紧急切断阀的材料选择十分重要，是确保切断阀安全、可靠运行的基础，一旦材料选择不合理，就会对后期的运行产生极大影响。同时材料选择也要考虑成本，在资金允许范围内选择合适的材料。材料选择具体见表2。
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低温紧急切断阀的阀门一般会使用填料，聚四乙烯等是填料的主要材料。为确保阀门在低温下的整体性能，双级密封（软硬密封相结合）的方法进行填料密封，填料一般为混合料，具备耐低温和高温的特点[3]。阀门阀杆密封为动密封，可以选择金属波纹管密封结构，在实际应用中性能良好，且对阀杆处介质泄漏可以进行有效控制。阀门紧固件较常使用全螺纹螺柱，为确保在实际应用中的性能，提升机械性能，需要对奥氏体不锈钢紧固件的材料进行固溶热处理。
2.4特点介绍
低温紧急切断阀具有良好的性能，主要是由于其具备以下几个特点：（1）在制造期间，阀体铸造更加精密或采用锻件阀体，明杆传动为传动的基本结构，在运行期间更加可靠；（2）使用螺旋锁定式的结构，让阀瓣的运行更加可靠。顶法兰是生产执行器的条件；（3）执行器属于活塞式气动执行器，在实际运行期间，稳定性更好；（4）使用新型填料为密封填料，较常使用的为PTFE填料；（5）当遇到停电等特殊状况时，也可以通过手动装置及时切断阀门[4]。
3相关参数确定
3.1阀体强度
阀体强度的计算是低温紧急切断阀设计中的关键所在，在具体计算时可以
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4设计注意事项
4.1合理进行结构设计注意事项
低温紧急切断阀的结构设计需要注意，要坚持绿色设计理念，降低压差损耗。从阀腔内装入阀杆，注重阀门设计的安全性，提升其安全系数。球体与操作结构的连接是通过双“D”结构连接的，确保阀杆与球体之间的配合精准度较高。阀体、内件、阀盖、阀杆、执行机构等须设计成防静电结构[7]。
低温紧急切断阀在LNG领域的应用，具有一定的易燃易爆概率，所以在设计时需做好防静电措施。对于PCTEF超低温阀门来说存在聚集静电隐患，所以要防止由于静电摩擦出现火花。所以需要在设计过程中，确保阀杆与阀体的电阻值符合要求。
4.2设计人员的注意事项
（1）和客户确认阀门阀体以、气动执行器以及电磁阀等气路附件的技术参数及相关要求（2）和BSM工厂确认阀门的相关技术参数及图纸（3）收到BSM工厂的阀门图纸后，设计气动阀门的整体布局，以及相关控制气路，并跟客户确认。制作并提交该项目的过程文件及竣工资料。
4.3低温紧急切断阀的检验
低温紧急切断阀在完成设计与制造之后，还需进行检验，这样才能确保低温紧急切断阀在实际应用中的安全性与可靠性。对零部件进行深冷处理，处理的零部件主要为超低温阀门的主要零件；通过低温冲击试验，对主要零件及焊缝进行检验，及时发现阀门在低温情况下，是否存在裂缝，确保在低温状态下不存在脆裂问题；常温试验也十分关键，需要在常温状态下，对阀门进行检验，试验可以分为两个环节，第一个环节为1.5倍公称压力水压强度试验，第二个部分为1.1倍公称压力密封试验；在完成水压试验之后，要将水分与油脂清理干净，同时也要保证阀门的干净与干燥。
同一批次的低温紧急切断阀都需进行低温试验，为随机抽样检验，需在完成1.5倍的水压强度试验后再进行低温试验；在完成阀门低温试验之后，一定要注意不能让阀门中进入空气；低温试验之后，需要让阀门自然升温，切记不可通过加热的方法让阀门升温；自然升温之后，工作人员要对阀门进行检验处理，再次上紧之后才能入库；在入库前需要对阀门开关再次进行检查，只有阀门处于合理的状态，才能入库存储；对于阀门的存储，需要分类存储，且要做好管理工作，避免受到环境的影响，在运输期间，也要做好防护措施，避免对阀门造成污染与损伤。
4.4安装要求
在安装低温紧急切断阀时，要以阀门的长颈阀盖结构为参考，确保按照时阀杆方向必须在垂直向上的 45 度角范围内，需远离垂直管线。在工艺流程图上要将阀门泄压的方向标注出来，要在管道轴测图中有所体现。在安装过程中，需严格按照说明进行操作，确保安装的可靠性。安装人员在焊接前，对管道进行清理。确保管道的干净无异物。避免阀体在焊接过程汇总过分受热，防止发生变形情况。
4.5阀盖与阀体螺栓拧紧力矩的计算
在整个设计过程中，还需注意阀盖以阀体螺栓拧紧力矩的计算，为确保计算的可靠性与合理性，需使用下面的公式：
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。在该公式中，T为所需拧紧力。
4.6中法兰密封
在设计时需要对低温密封垫片材料进行合理选择，确保在低温与常温状态下，都能保持良好的状态，尤其是在低温下，要具有良好的回弹性，且线膨胀系数不大，确保机械强度良好。不锈钢带和柔性石墨是中法兰密封垫的主要材料，在这两种材料的制作下形成缠绕垫片。垫片密封在低温状态下，比压会减小，这样就会出现介质泄漏的问题，所以需要使用碟形弹簧垫片在中法兰紧固螺栓连接的位置进行补偿。
4.7设计要点
低温紧急切断阀设计期间，还有很多要点需要注意，比如壳体强度、紧急切断时间、耐振动等有一定要求，具体要求见表3。
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结束语
低温紧急切断阀由于运用环境比较特殊，所以对设计提出更高要求，通过低温紧急切断阀的优化设计，在提升设计质量的同时，也能确保低温紧急切断阀的在实际运行期间的安全性与可靠性，为LNG领域的发展提供一个安全屏障。未来，对于低温紧急切断阀的设计及其相关理论研究会不断深入，为LNG领域的发展提供更多理论支持。
参考文献：
[1]陈龙龙、林忠灿、温智慧. 天然气用小口径高压抗硫硬密封固定球阀设计开发研究[J]. 技术与市场, 2020, v.27;No.322(10):48-49.
[2]肖翰, 萧亚兵. 远程自动控制气液联动全焊接紧急切断阀的设计研究[J]. 化学工程与装备, 2019, 000(005):203-205.
[3]武建华, 何小三. 紧急切断阀自动关闭系统检测试验平台的设计开发[J]. 专用汽车, 2020, No.272(01):99-103.
[4]王喆, 井瑞鑫, 刘芊菁. LNG装车橇与LNG槽车紧急切断阀ESD联控优化设计[C]// 中国燃气运营与安全研讨会（第十届）暨中国土木工程学会燃气分会2019年学术年会论文集（上册）. 2019.
[5]冯是公, 王大新, 陈建新,等. 低温输油臂紧急脱离装置上切断阀的设计应用[J]. 机械制造与自动化, 2007, 36(003):56-58.
[6]马中强、王恒、黄小宇、吴彦峰. 基于汽车罐车用紧急切断阀相关标准的定期检验检出故障原因[J]. 石油化工设备, 2020, v.49;No.322(05):72-76.
[7]郑慧娟, 雷兴春. 可逆式机组导叶和进水球阀协联关闭规律研究[J]. 水利建设与管理, 2019, v.39;No.311(06):11+27-33.
简介：黄翔；1984.05，男，汉族，安徽省宁国市人，合肥通用职业技术学院，大专学历，机电一体化专业，从事阀门设计领域，通用阀门及非标阀门设计十多年。