CN111255909A - 具有自闭功能的超低温球阀防体腔异常升压装置及其方法 - Google Patents

具有自闭功能的超低温球阀防体腔异常升压装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有自闭功能的超低温球阀防体腔异常升压装置及其方法。本发明通过紧凑的结构设计，将防体腔异常升压装置置于阀体导流孔内，在正常工况下本装置处于关闭状态，阻止进口端和阀体中腔的连通，避免进口端的压力对于密封结构的影响。而在阀体中腔内的LNG介质因环境温度的逐渐提高发生气化，压力增大时，防异常升压装置打开，将过高的压力排出至进口端，从而实现阀体中腔内压力的稳定，达到防体腔异常升压效果，避免因异常升压导致的阀杆密封泄漏、中法兰密封泄漏、紧固件失效等危险情况的发生。本装置采用磁力部件，无机械磨损，工作稳定可靠，长久耐用，可有效提高超低温球阀的使用寿命。

Description

具有自闭功能的超低温球阀防体腔异常升压装置及其方法
技术领域
本发明涉及低温球阀技术领域，特别涉及一种LNG接收站用超低温球阀防体腔异常升压装置。
背景技术
在低温工况下，球阀封闭中腔内的LNG介质可能会因环境温度的逐渐提高发生气化，气化时的体积约膨胀600倍，压力会迅速增加，如压力无法及时排除，可能导致阀杆密封泄漏、中法兰密封泄漏、紧固件失效等危险情况的发生。因此，LNG低温球阀设计时需要进行预防体腔异常升压设计，而目前的设计主要采用内部泄放法和外部泄放法2种方法。内部泄放法是通过泄放孔将阀体中腔与管路进口端连通，使中腔压力始终与管路进口端平衡；外部泄放是在中腔阀体上安装一个泄放阀，当中腔压力达到泄放压力时，中腔介质泄放到阀体外或收集到泄放瓶中。这两种方法都存在问题，不尽理想，对于内部泄放法来说，将阀体中腔压力和进口端压力始终连通，会使进口端的压力始终作用在阀门密封处，长时间的压力载荷会对密封产生一定的影响，导致泄漏问题；对于LNG介质来讲，通过外接压力泄放阀这种方法存在诸如介质泄漏、不易操作等问题，在超低温场合下较少使用。因此，需要在阀体结构和预防异常升压装置上进行设计，以实现超低温球阀防体腔异常升压效果。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有自闭功能的超低温球阀防体腔异常升压装置，该装置置于阀体中腔与进口端连通的孔中，在正常工况下处于关闭状态，即阻止进口端与阀体中腔的连通，避免进口端的压力对于阀门密封的影响；而在阀体中腔内的LNG介质因环境温度的逐渐提高发生气化，压力增大时，防异常升压装置打开，将过高的压力排出至进口端，从而实现阀体中腔内压力的稳定，避免因异常升压导致的阀杆密封泄漏、中法兰密封泄漏、紧固件失效等危险情况的发生。
本发明具体采用的技术方案是：
一种具有自闭功能的超低温球阀防体腔异常升压装置，其包括导流孔、导杆、导杆支架、密封圈、支撑结构和回位控制装置；
所述的导流孔开设于超低温球阀中，且连通超低温球阀的进口端和阀体中腔，在导流孔中设置有一个环形的支撑结构，其环形外壁与导流孔的内壁密封且保持固定，支撑结构中心开设贯通通道；所述支撑结构朝向进口端一侧设置于密封圈；所述的导杆支架呈环形，其固定于导流孔中，导杆支架中心开设有导向孔，所述导杆安装于导向孔中，并与导杆支架构成控制导杆轴向移动的滑动副；所述的导杆支架上开设有至少一个贯通孔，所述导杆支架两侧的导流孔空间仅通过所述贯通孔连通；所述回位控制装置用于对导杆施加朝向所述支撑结构的作用力，使导杆端部支顶于密封圈上进而封堵支撑结构中心的贯通通道，当阀体中腔中的压力增大时能够向导杆的端部施加反向作用力，使导杆端部脱离密封圈进而打开支撑结构中心的贯通通道。
作为第一方面的优选，所述的回位控制装置包括环形铁片和磁环，所述的磁环固定安装在支撑结构与密封圈之间，密封圈、环形铁片和支撑结构三者同轴固定连接，不可移动；所述磁环安装在导杆的端部，导杆端部能够通过磁环支顶于密封圈上，进而封堵支撑结构中心的贯通通道。
作为第二方面的优选，所述的回位控制装置为弹簧，所述弹簧呈预压缩状态，一端支顶于导杆支架上，另一端支顶于导杆上，对导杆施加朝向所述支撑结构的作用力。
进一步的，所述导杆支架上沿导向孔周向均匀开设有3个贯通孔。
进一步的，所述导杆、导杆支架、密封圈、支撑结构和回位控制装置均沿导流孔轴线方向同轴布置。
进一步的，所述导杆的端部具有扩大头，扩大头朝向密封圈的一侧为平面。
进一步的，所述支撑结构为导流孔内设置的凸台结构，其成型方式包括钻孔或铸造成型。
在上述第一方面的优选基础上，进一步的，所述的密封圈的中心孔孔径与环形铁片的中心孔孔径相同，或者略小于环形铁片的的中心孔孔径；所述的环形铁片的外径略小于导流孔的直径；所述磁环的中心孔孔径略大于密封圈的中心孔孔径。
在上述第二方面的优选基础上，进一步的，所述弹簧的材料牌号为QSn4-3、QSn6.5-0.1、QSn6.5-0.4或QSn7-0.2，并且弹簧的内径与导杆的直径相同，或者弹簧的内径略大于导杆的直径但小于导杆支架端部的扩大头直径。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述防体腔异常升压装置的超低温球阀防体腔异常升压方法，其步骤如下：
当需要打开超低温球阀时，将LNG介质通入超低温球阀中，旋转球形阀芯打开流道，正常工况下依次沿进口端、上游阀座、球形阀芯、下游阀座、出口端正常流通；而此时，在导流孔中利用所述回位控制装置用于对导杆施加朝向所述支撑结构的作用力，使导杆端部支顶于密封圈上进而封堵支撑结构中心的贯通通道，形成良好的密封效果；来自进口端的LNG介质通过导杆支架上的所述贯通孔进一步对导杆施加压力，增加导杆作用在密封圈上的力，从而加强密封效果；
当需要关闭超低温球阀时，旋转球形阀芯关闭流道，导杆端部依然支顶于密封圈上进而封堵支撑结构中心的贯通通道；当阀体中腔内的LNG介质由于环形温度的升高而发生气化时，气化时的体积和压力迅速增加，来自阀体中腔气体会通过支撑结构的贯通通道作用在导杆的端面上，当气体的作用力大于所述回位控制装置用于对导杆施加的作用力时，导杆与密封圈脱离，导流孔内流道被打开，来自阀体中腔内的气体通过导流孔进入进口端，并在进口端中被冷却液化成液体介质，从而消除来此阀体中腔的高压，达到防异常升压的效果；当阀体中腔的压力降低时，导杆重新在所述回位控制装置的作用力下支顶于密封圈上，进而封堵支撑结构中心的贯通通道，达到阻断介质流通的目的。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：
本发明通过紧凑的结构设计，结合了内泄放法和外泄放法的优点，将防升压装置置于导流孔内，避免了由于在阀体上开外导流孔带来的强度和泄漏问题。同时，在正常工况下，由于防异常升压装置具有自闭功能，故进口端和阀体中腔是介质流通，避免了内导流孔连通两个区域对密封效果带来的影响。本发明采用磁力机构保证在正常工况下的密封能力和在异常升压工作下的排压能力，磁力装置不会发生磨损，保证整个机构长久可靠运行，实现超低温球阀防体腔异常升压效果。
附图说明
图1为超低温球阀阀体部分及防异常升压安装位置图；
图2为采用磁力的防异常升压装置结构示意图；
图3为采用磁力的防异常升压装置在阀体中腔异常升压工况下的各部件运动位置图；
图4为采用弹簧的防异常升压装置结构示意图；
图5为采用弹簧的防异常升压装置在阀体中腔异常升压工况的各部件运动位置图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实例对本发明作进一步详细描述。应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如附图1所示，展示了本防异常升压装置5的安装位置。本发明中的超低温球阀为常规结构，包括阀盖3和阀体7，阀体7中在进口端4和出口端13之间为流道，流道的阀体中腔14中设有球形阀芯10控制流道开闭，球形阀芯10由贯穿阀盖3的阀杆1控制旋转，阀盖3上设置滴水板2。球形阀芯10周侧设有上游阀座8、下游阀座12、上游支架9、下游支架11、唇形密封圈15等辅助配件。
防异常升压装置包括磁力防异常升压装置和弹簧防异常升压装置两种装置，弹簧防异常升压装置包括导杆16、导杆支架17、弹簧18、密封圈19和支撑结构22，而磁力防异常升压装置包括导杆16、导杆支架17、磁环20、密封圈19，环形铁片21和支撑结构22。
下面分别对其具体结构进行描述。
实施例1
本实施例中，设计的防异常升压装置的安装位置在超低温球阀的阀体中腔14和进口端4连接的导流孔6内。该超低温球阀防体腔异常升压装置包括导流孔6、导杆16、导杆支架17、密封圈19、支撑结构22、以及有磁环20和环形铁片21构成的回位控制装置。
其中，导流孔6开设于超低温球阀中，且连通超低温球阀的进口端4和阀体中腔14，在导流孔6中设置有一个环形的支撑结构22，支撑结构22是一个环形的凸台，其突出于导流孔6的内壁。该支撑结构22的成型方式包括钻孔或铸造成型，与导流孔6的外壁部分一体成型。当然，支撑结构22也可以单独固定于导流孔6中，但是其环形外壁与导流孔6的内壁密封且保持固定。支撑结构22的中心开设一条贯通通道。支撑结构22朝向进口端4一侧设置于密封圈19。在本实施例中，密封圈19与支撑结构22不直接固定，而是中间夹持固定一个环形铁片21。密封圈19、环形铁片24和支撑结构22三者同轴固定连接，不可移动。导杆16、导杆支架17、密封圈19、支撑结构22和回位控制装置均沿导流孔6轴线方向同轴布置。密封圈19的中心孔孔径与环形铁片24的中心孔孔径相同，或者略小于环形铁片24的的中心孔孔径，环形铁片24的外径略小于导流孔6的直径，磁环20的中心孔孔径略大于密封圈19的中心孔孔径。密封圈19、环形铁片24和支撑结构22三者的中心孔形成位于同一通道上，该通道的端部由导杆16的端部进行控制。
另外，导杆支架17呈环形，其固定于导流孔6中，导杆支架17也可以像支撑结构22一样，以凸台的形式与导流孔6的外壁部分一体成型。导杆支架17中心开设有导向孔，导杆16安装于导向孔中，并与导杆支架17构成控制导杆16轴向移动的滑动副。导杆支架17上开设有至少一个贯通孔，导杆支架17两侧的导流孔6空间仅通过贯通孔连通。
在本实施例中，回位控制装置是基于磁吸原理对导杆16施加回复力的。磁环20安装在导杆16的端部，导杆16端部能够在磁环20与环形铁片24的磁吸力作用下支顶于密封圈19上，进而封堵支撑结构22中心的贯通通道。进一步的，为了保证密封效果，导杆16的端部具有扩大头，扩大头朝向密封圈19的一侧为平面。
因此，在正常工况下，磁环20与环形铁片24的磁吸力对导杆16施加朝向支撑结构22的作用力，使导杆16端部支顶于密封圈19上进而封堵支撑结构22中心的贯通通道，当阀体中腔14中的压力增大到一定程度时，能够向导杆16的端部施加反向作用力，使导杆16端部脱离密封圈19进而打开支撑结构22中心的贯通通道。在正常工况下，导流孔是没有介质流通的。
基于本实施例的防体腔异常升压装置的超低温球阀防体腔异常升压方法，其步骤如下：
当需要打开超低温球阀时，将LNG介质通入超低温球阀中，旋转球形阀芯10打开流道，如附图1所示，此时球形阀芯10流体通道轴线方向与上游阀座8和下游阀座12轴线方向一致。LNG介质依次通过进口端4，上游阀座8，球形阀芯10，下游阀座12，出口端13正常流通。而此时，在导流孔6中，由于磁环20和环形铁片21之间的磁力作用，磁环20牵引导杆16紧紧压紧密封圈19，形成良好的密封效果。来自进口端4的LNG介质通过导杆支架17上的三个贯通孔，进一步作用在导杆16的凸台上，其压力会增加导杆16作用在密封圈19上的力，从而加强密封效果。综上所述，在球形阀芯10的流道转动到开启状态时，进口端4-球形阀芯10-出口端13的流道是处于流通状态的，LNG介质是可以自由流通的，在导流孔6内的防异常升压装置是关闭的，此时没有介质流通。
当需要关闭超低温球阀时，球形阀芯10旋转90°，此时进口端4-球形阀芯10-出口端13的流道是关闭的，如附图2所示，在导流孔内的防异常升压装置也是处于关闭状态的，此时的LNG介质也是无法从导流孔内流通的，从而实现在球形阀芯10处于关闭状态时，进口端4和阀体中腔14是不连通的，进口端的介质压力不能作用在阀杆密封处和中法兰密封处，从而实现对于上述密封处的保护，即本装置具有自闭功能。当阀体中腔内的LNG介质由于环形温度的升高而发生气化时，气化时的体积约增大600倍，压力会迅速增加。如附图2所示，即来自阀体中腔14的的压力会迅速增大，来自阀体中腔14气体会通过支撑结构22、环形铁片、密封圈19和磁环20的中心孔作用在导杆16的端面上，当气体的作用力大于磁环20与环形铁片21之间的磁力时，磁环20会与密封圈19分离。如附图3所示，此时导流孔6内流道被打开，来自阀体中腔14内的气体依次通过支撑结构22，环形铁片21，密封圈19，导杆支架17，通过导流孔6进入进口端4，在进口端4中，由于LNG介质的温度相较于气体介质来说，温度较低，所以气体介质会被冷却，液化成液体介质，从而消除来此阀体中腔14的高压，达到防异常升压的效果。当阀体中腔14的压力降低时，作用在导杆16的气体压力会小于磁环20和环形铁片21之间的磁力，在磁力的驱动下，导杆16会向右移动，紧紧压紧密封圈19，实现流道的关闭，达到阻断介质流通的目的，即实现本装置的自闭功能，本装置恢复到附图2所示的状态。在整个流程中，本装置实现自动启闭，无需人为操作，且本装置由磁力驱动，无机械磨损，运行稳定可靠。
当然，本发明的回位控制装置除了采用磁吸控制方式外，还可以采用弹簧控制方式，下面通过另一实施例来说明弹簧防异常升压装置的实现方式。
实施例2
在本实施例的弹簧防异常升压装置中，其余结构与实施例1相同，其区别仅在于回位控制装置采用弹簧18来代替磁环20和环形铁片21。
如附图4所示，导杆支17固定安装在导流孔6内，导杆支架17同样设置有三个贯通孔和一个导向孔，导向孔用以支撑导杆16的运动，弹簧18一端作用在导杆支架17上，另一端作用在导杆16的扩大端上。弹簧18的材料牌号为QSn4-3、QSn6.5-0.1、QSn6.5-0.4或QSn7-0.2，并且弹簧18的内径与导杆16的直径相同，或者弹簧18的内径略大于导杆16的直径但小于导杆支架17端部的扩大头直径。
弹簧18在如附图4所示的工况下，是一直处于压缩状态的，支撑结构和密封圈19之间是固定安装的，在弹簧18的预紧力作用下，导杆16压紧密封圈19，实现流道的关闭。当阀体中腔14的的压力增大时，同样可以推动导杆16克服弹簧18的弹力并脱离密封圈19，实现流道的打开。在正常工况下，导流孔是没有介质流通的。
基于本实施例的防体腔异常升压装置的超低温球阀防体腔异常升压方法，其步骤如下：
当需要打开超低温球阀时，将LNG介质通入超低温球阀中，旋转球形阀芯10打开流道，如附图1所示，球形阀芯10、上游阀座8和下游阀座12的轴线方向是相同的，LNG介质通过进口端4，上游阀座8，球形阀芯10，下游阀座12和出口端13，达到介质流通的目的。在导流孔6内，LNG介质会通过导杆支架17上的环形孔，介质压力会作用在导杆16上，来自进口端4的介质压力会使导杆16进一步压紧密封圈19，增强密封效果。
当需要关闭超低温球阀时，球形阀芯10旋转90°，即球阀阀芯10的流动轴线发方向与上游阀座8和下游阀座12的轴线方向垂直时，此时进口端4-上游阀座8-球形阀芯10-下游阀座12-出口端13的流道是关闭的。在导流孔内，如附图4所示，此时导流孔内6的流道也是关闭的。进口端4和阀体中腔14是不连通的，来自进口端4的介质压力无法直接作用到阀杆密封处和中法兰密封处，即实现本装置的自闭功能。当封闭中腔内的LNG介质由于环境温度的升高而发生气化，气化的体积约膨胀600倍，压力会迅速增加。如附图4所示，来自阀体中腔14的气体会通过支撑结构、密封圈19的中心孔，作用在导杆16的端面上，当压力增大到大于弹簧18的预紧力时，在气体压力和弹簧预紧力的合力作用下，会推动导杆16向左移动。此时，如附图5所示，导流孔6内的流道打开，来自阀体中腔14的气体介质依次通过支撑结构，密封圈19，导杆支架17的环形孔，经过导流孔6进入进口端4。由于进口端4的液体介质温度比来自阀体中腔14的气体介质的温度低，气体介质在进口端4被冷却，液化成液体介质，从而来自阀体中腔14的气体介质变成液体介质，阀体中腔14的压力降低，当压缩弹簧18产生的弹力大于气体介质对于导杆16端面的作用力时，导杆16会在二者作用力的合力作用下移动，会逐渐压紧密封圈，实现自动关闭流道功能。本装置在来自阀体中腔14的高压消失时，会在弹簧的作用下，自动关闭流道，阻止进口端4和阀体中腔14的介质流通。即实现本装置的自闭功能。在整个流程中，本装置无需人为操作，自动释放来自阀体中腔14的气体高压，保证超低温球阀的安全稳定运行。
因此，本装置完全阀体内部导流孔内，在稳定工况下处于关闭状态，在阀体中腔异常升压时本装置开启，有磁力驱动，无机械磨损，稳定可靠。在阀体中腔的高压消失时，本装置自动关闭，即具有自闭功能，阻断进口端和阀体中腔的介质联通，保护密封结构，实现阀门中腔内的压力稳定，可有效提高超低温球阀的使用寿命。
以上所述的实施例只是本发明的若干种较佳方案，然而并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变形。因此凡采取等同替换或等效变化的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有自闭功能的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：包括导流孔(6)、导杆(16)、导杆支架(17)、密封圈(19)、支撑结构(22)和回位控制装置；
所述的导流孔(6)开设于超低温球阀中，且连通超低温球阀的进口端(4)和阀体中腔(14)，在导流孔(6)中设置有一个环形的支撑结构(22)，其环形外壁与导流孔(6)的内壁密封且保持固定，支撑结构(22)中心开设贯通通道；所述支撑结构(22)朝向进口端(4)一侧设置于密封圈(19)；所述的导杆支架(17)呈环形，其固定于导流孔(6)中，导杆支架(17)中心开设有导向孔，所述导杆(16)安装于导向孔中，并与导杆支架(17)构成控制导杆(16)轴向移动的滑动副；所述的导杆支架(17)上开设有至少一个贯通孔，所述导杆支架(17)两侧的导流孔(6)空间仅通过所述贯通孔连通；所述回位控制装置用于对导杆(16)施加朝向所述支撑结构(22)的作用力，使导杆(16)端部支顶于密封圈(19)上进而封堵支撑结构(22)中心的贯通通道，当阀体中腔(14)中的压力增大时能够向导杆(16)的端部施加反向作用力，使导杆(16)端部脱离密封圈(19)进而打开支撑结构(22)中心的贯通通道。
2.如权利要求1所述的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：所述的回位控制装置包括环形铁片(24)和磁环(20)，所述的磁环(20)固定安装在支撑结构(22)与密封圈(19)之间，密封圈(19)、环形铁片(24)和支撑结构(22)三者同轴固定连接，不可移动；所述磁环(20)安装在导杆(16)的端部，导杆(16)端部能够通过磁环(20)支顶于密封圈(19)上，进而封堵支撑结构(22)中心的贯通通道。
3.如权利要求1所述的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：所述的回位控制装置为弹簧(18)，所述弹簧(18)呈预压缩状态，一端支顶于导杆支架(17)上，另一端支顶于导杆(16)上，对导杆(16)施加朝向所述支撑结构(22)的作用力。
4.如权利要求1所述的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：所述导杆支架(17)上沿导向孔周向均匀开设有3个贯通孔。
5.如权利要求1所述的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：所述导杆(16)、导杆支架(17)、密封圈(19)、支撑结构(22)和回位控制装置均沿导流孔(6)轴线方向同轴布置。
6.如权利要求1所述的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：所述导杆(16)的端部具有扩大头，扩大头朝向密封圈(19)的一侧为平面。
7.根据权利要求1所述的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：所述支撑结构(22)为导流孔(6)内设置的凸台结构，其成型方式包括钻孔或铸造成型。
8.根据权利要求2所述的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：所述的密封圈(19)的中心孔孔径与环形铁片(24)的中心孔孔径相同，或者略小于环形铁片(24)的的中心孔孔径；所述的环形铁片(24)的外径略小于导流孔(6)的直径；所述磁环(20)的中心孔孔径略大于密封圈(19)的中心孔孔径。
9.根据权利要求3所述的超低温球阀防体腔异常升压装置，其特征在于：所述弹簧(18)的材料牌号为QSn4-3、QSn6.5-0.1、QSn6.5-0.4或QSn7-0.2，并且弹簧(18)的内径与导杆(16)的直径相同，或者弹簧(18)的内径略大于导杆(16)的直径但小于导杆支架(17)端部的扩大头直径。
10.一种利用如权利要求1～8任一所述防体腔异常升压装置的超低温球阀防体腔异常升压方法，其特征在于，步骤如下：
当需要打开超低温球阀时，将LNG介质通入超低温球阀中，旋转球形阀芯(10)打开流道，正常工况下依次沿进口端(4)、上游阀座(8)、球形阀芯(10)、下游阀座(12)、出口端(13)正常流通；而此时，在导流孔(6)中利用所述回位控制装置用于对导杆(16)施加朝向所述支撑结构(22)的作用力，使导杆(16)端部支顶于密封圈(19)上进而封堵支撑结构(22)中心的贯通通道，形成良好的密封效果；来自进口端(4)的LNG介质通过导杆支架(17)上的所述贯通孔进一步对导杆(16)施加压力，增加导杆(16)作用在密封圈(19)上的力，从而加强密封效果；
当需要关闭超低温球阀时，旋转球形阀芯(10)关闭流道，导杆(16)端部依然支顶于密封圈(19)上进而封堵支撑结构(22)中心的贯通通道；当阀体中腔(14)内的LNG介质由于环形温度的升高而发生气化时，气化时的体积和压力迅速增加，来自阀体中腔(14)气体会通过支撑结构(22)的贯通通道作用在导杆(16)的端面上，当气体的作用力大于所述回位控制装置用于对导杆(16)施加的作用力时，导杆(16)与密封圈(19)脱离，导流孔(6)内流道被打开，来自阀体中腔(14)内的气体通过导流孔(6)进入进口端(4)，并在进口端(4)中被冷却液化成液体介质，从而消除来此阀体中腔(14)的高压，达到防异常升压的效果；当阀体中腔(14)的压力降低时，导杆(16)重新在所述回位控制装置的作用力下支顶于密封圈(19)上，进而封堵支撑结构(22)中心的贯通通道，达到阻断介质流通的目的。
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