现有的低温固定球阀,其唇形密封圈在压力的作用下容易损坏,在球体一侧设置泄压孔,消除阀腔积压危险的同时,还能使唇形密封圈不受压力损坏,通过切换阀座密封,以实现二次切断(密封)功能。论述了单向可切换阀座密封低温球阀和双向可切换阀座密封低温球阀结构的特点,可作为国产低温球阀采用唇形密封圈密封效果不佳的解决方案之一。

低温球阀是液化天然气(LNG)接收站中必不可少的流体管道控制装置之一,其在低温工况下工作时阀座密封易发生泄露,严重威胁工业生产的正常运行。本工作基于热固耦合方法研究了LNG接收站用低温球阀唇形密封圈与阀体和阀座的接触特性,包括接触间隙和接触压力。结果表明,受低温介质的影响,唇形密封圈上存在较大温差,导致密封圈上的Mises应力大幅增加,最大Mises应力达到204.92 MPa。相比于常温工况时,低温工况时唇形密封圈的接触间隙变大,接触压力减小,最大接触间隙值达到-0.72 mm。增大弹簧预紧力在一定程度上可以改善低温工况时唇形密封圈的密封性能,增大接触压力。本工作对低温球阀的阀座密封设计和研究具有一定参考价值。

以LNG低温球阀为研究对象,通过对密封必需比压和弹簧预紧力进行理论计算,结合ANSYS Workbench建立阀座与球体接触的有限元模型,进行热固耦合分析,对比静力场和耦合场的模拟结果,结合影响密封面特性的两个关键因素(密封面宽度和压力角)对阀座密封面给出优化建议。结果表明:耦合场的低接触压力均值相比静力场整体减小了13%左右,阀座密封面处的密封比压随着密封面宽度的减小而增大,随压力角的增大并非线性增加。有效的密封面宽度在2.00~4.25 mm之间,有效的压力角范围是45.03~45.38°。

介绍了LNG低温球阀阀盖颈部温度场的影响因素。利用ANSYS有限元软件对阀盖颈部的温度场进行了数值模拟,结果显示,填料函底部温度处于操作温度以上,说明了阀盖颈部设计是合适的。研究了不同因素下的填料函温度场分布,为进一步的研究提供了方向。