2.3 防体腔异常升压结构设计

在低温工况下，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，气化时体积约膨胀600倍，压力会迅速增加，如压力无法及时排出，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低温阀门设计时需要进行预防体腔异常升压设计，可采用内部泄放法和外部泄放法2种方法［5］。内部泄放是通过泄放孔将阀门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;或者进口端采用弹性阀座或压力泄放孔连接中腔和管路进口端，当中腔压力达到设定的安全泄放压力时，中腔介质泄放至进口管路内。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，通过外接压力泄放阀情况在超低温场合较少使用。中腔能够截持介质发生异常升压的现象，一般出现在球阀、闸阀、截止阀等截止类阀门中。对于闸阀、截止阀预防体腔异常升压的设计，可将阀杆上密封结构上移至靠近填料函密封处(见图4)，阀盖上加工平衡孔，实现阀盖腔与阀体腔的连通;对于双座密封楔式闸阀，可在阀座上游端闸板上开孔( 见图5) ，保证中腔与上游的连通。

图4 阀杆倒密封上移

图5 阀座上游端闸板上开孔

对于上装式或侧装式浮动球阀，预防体腔异常升压的设计，可在加长阀盖上加工平衡孔，实现阀盖腔与阀体腔的连通，同时在球体上游端开孔(见图6)，保证中腔与上游连通。

图6 球体上游端开孔

对于上装式或侧装式固定球阀，可根据不同工况，选择上、下游阀座不同组合形式来预防体腔异常升压。常见阀座组合形式可按API 6D DIB-2的结构设计成SPE-DPE的组合阀座，即上游阀座为单活塞自泄压阀座，可阻断来自上游的介质压力，下游阀座为双活塞双向密封阀座，可同时阻断来自上、下游的介质压力，中腔超压时，自动向管路上游方向泄放，见图7所示。

图7 SPE-DPE阀座泄放结构示意

2.4 防静电结构设计

基于LNG介质的易燃易爆特性，在LNG低温阀门设计时，尤其是对有非金属材料作为密封件的阀门，有聚集静电的危险存在。静电能引起火花造成燃烧和爆炸。因此，必须考虑防静电措施，在阀杆与阀体、阀杆与关闭件之间设置导通装置，从而引出静电，消除隐患。对金属密封机构的低温阀门，可不设置静电导通装置，但在装配后应测量阀体与阀杆、关闭件与阀体之间的电阻值，应小于设计规范所规定的10Ω。典型的防静电导出装置由弹簧+钢珠构成(见图8)，使阀杆与球体、阀盖、阀体间实现金属接触，满足良好的导通能力，避免阀门开关或流体冲刷等产生静电积聚，增加系统的安全性。

图8 防静电导出装置示意

2.5 密封结构设计

随着温度的降低，一般的密封垫片由于低温变形方面的原因，没有足够的预紧密封力，容易失去密封性能。因此必须选择合适的密封材料满足低温要求。低温环境下，静密封一般选用弹性密封垫片，如不锈钢金属缠绕石墨垫片等，对于动密封则使用Lipseal唇形密封环，保证阀门低温密封性能。实际设计过程中，常采用组合式的密封结构形式，如阀体、阀盖之间采用不锈钢金属缠绕石墨垫片和Lipseal唇形密封环的组合式密封形式(见图9);阀杆密封部位采用Lipseal唇形密封环和石墨填料组合式密封形式(见图10)，并辅以一定的弹性元件，补偿金属、非金属低温环境下收缩不一致对密封性能造成的影响，既有效保证阀门良好的低温密封性能，又使阀门在火灾情况下，具有良好的防火功能。

图9 阀体、阀盖之间组合密封形式图

10 阀杆部位组合式密封形式