3.8 滴水盤的設計計算和自泄壓結構

3.8.1 滴水盤過余溫度場與散熱量的計算

方程為0階虛宗量貝塞爾方程，利用數學物理方法可以解得其通解為：

　　（3-130）

根據物理模型，假設滴水盤的末端為絕熱，計算結果可以滿足精度要求，則方程邊界條件為：

　　（3-131）

此外，根據虛宗量貝塞爾函數和虛宗量漢克函數遞推關系式：

　　（3-132）

　　（3-133）

將邊界條件式（3-131）代入通解式（3-130），得到滴水盤的過余溫度場為：

　　（3-134）

式中 I0(ar) —零階虛宗量貝塞爾函數；

I1(ar) —一階虛宗量貝塞爾函數；

K0(ar) —零階虛宗量漢克函數；

K1(ar) —一階虛宗量漢克函數。

對于穩態導熱，則整個滴水盤的散熱量等于由滴水盤基部導出的熱量，即

　　（3-135）

并將式（3-134）求導代入式（3-135）整理得出滴水盤的散熱量為：

　　（3-136）

滴水盤的效率可以定義為：

即

　　（3-137）

3.8.2 自卸壓結構

LNG氣化后，體積將擴大為原來的600多倍，存在異常升壓的問題。當閥門關閉后，殘留在腔體內的LNG從周圍環境中大量吸收熱量迅速氣化，在腔體內產生很高的壓強，從而破環球體及閥座組件，使閥門不能正常工作，所以在LNG超低溫環境下的閥門都需要設置泄壓結構，以防止腔體內異常升壓。

（1）自泄壓式閥座

自泄壓閥座（見圖3-11）又稱上游密封自動泄壓式閥座。上游密封是指閥門使用時靠上游閥座起密封作用，當管道內為低壓力或無壓力時，通過閥座背面設置的彈簧提供初始密封預緊力從而保證在此狀態下的密封性能；當管道內為正壓力時，通過介質壓力將上游閥座推向球面形成密封。當閥門中腔壓力升高至工作壓力的1.33倍時，中腔壓力反推閥座，壓縮預緊彈簧，使閥座脫離球面形成泄放通道，從而保證中腔壓力順利泄放（見圖3-12），不會出現不穩定介質在閥腔內發生化學變化或相態變化而引起的異常升壓，避免中腔壓力異常升壓帶來的安全隱患。

由于受壓面積A4＞A3，當閥腔壓力增值1.33倍工作壓力時，閥座克服彈簧預緊力，推開閥座，使之與球體產生間隙，內腔過載壓力自動泄放到上游管線中。下游閥座（見圖3-13）是雙密封閥座，其結構使閥座緊貼球面達到密封。此結構既能保證閥座在工作時上下游同時起密封作用，又同時具備防止中腔升壓向上游泄放功能。

在管道壓力下受壓面積A1＞A2，閥門中腔壓力下受壓面積A3＞A4，閥座始終緊貼球面達到密封。

（2）單泄放式彈簧蓄能圈

對小于或等于200mm口徑的閥門，可以利用彈簧蓄能圈單向密封的特點，使閥腔泄壓（見圖3-14）。球閥關閉，中腔壓力升高時，下游為雙隔離雙向密封結構，無法泄壓。上游因為選擇單向密封彈簧蓄能圈，無法形成活塞效應，當壓力繼續升高至一定壓力時，則可通過彈簧蓄能圈的背面泄壓，可以使上下游閥座尺寸、密封件尺寸、活塞徑向尺寸一致，從而減少閥門加工、裝配和維修的難度，并且可以降低閥門的扭矩。

（3）泄壓裝置

對大于200mm以上的球閥，采用設置自動泄壓裝置解決閥腔內部壓力升高的問題。大多數常規球閥一般選擇在閥體上增設泄放閥釋放閥腔內部的壓力。但是LNG用球閥由于其使用在超低溫工況環境下，如果向外界釋放壓力則會對環境和安全等造成影響。根據工藝管道要求，在球體上安裝一個具有單向導通功能的自動泄放閥向上、下游管道釋放閥腔壓力。當球體沿A方向受管道壓力時，球體上的自動泄放閥由于受到自身彈簧預緊力和介質作用力的作用使內件關閉，處于密封狀態。當閥腔受外界影響，發生壓力改變，球體受到沿B方向作用的閥腔作用力，當異常達到一定壓力時，沿B方向的作用力克服泄放閥彈簧預緊力，推開泄放閥內件，使泄放閥打開，形成一個泄放孔，從而泄放掉閥腔內部的壓力，使閥門可以安全正常工作。球體上設置泄壓閥的簡圖如圖3-15所示。

3.8.3 保冷層設計計算

液化天然氣（LNG）廠站內閥門長期低溫運行，需采取保冷措施以減少周圍環境中的熱量傳入管道內部，防止管道外壁凝露，經濟有效地保護低溫閥門中的冷量不散失。

保冷層材料采用硬質聚氨酯（PUR）泡沫材料。PUR的主要成分為異氰酸酯、聚醚或聚酯多元醇和多種助劑，其生產工藝簡便，機械加工性能好，其缺點是耐候性、耐溫性差且易燃，燃燒生成物有毒。

　　（3-138）

式中 D1 —保冷層外徑，m；

Do —管道或設備外徑，m，0.15m；

td —當地氣象條件最熱月的露點溫度，15℃，根據GB 50264—97規定：在只防結露保冷層厚度計算中，保冷層外表面ts應為露點溫度；

ta —環境溫度，℃，取西寧累年夏季空調室外干球計算溫度，26.5℃；

to —管道或設備外表面溫度，℃，-162℃

αs —保冷層外表面向周圍環境的放熱系數，W/(m2·℃)，0.018W/(m2·℃)；

λ —保冷材料熱導率，W/(m·℃)，0.024W/(m·℃)。

根據式（3-138）可得

LNG超低溫固定球閥，其特征在于，包括閥體、球體、彈簧座、螺旋彈簧、閥座、擋圈卡環、長頸閥蓋、驅動軸、填料、驅動裝置、球體裝于閥體內、閥蓋裝于閥體上，驅動軸一端裝于球體內，另一端與驅動裝置相連接，閥座裝于閥體和球體之間，閥座大端后面裝有彈簧座，彈簧座里面裝有螺旋彈簧，螺旋彈簧與閥座大端接觸，彈簧座和閥體之間的空隙裝入鏈條式卡環，閥座彈簧蓄能密封圈和防火密封圈裝于閥座上，用密封圈擋圈和擋圈卡環擋住閥座彈簧蓄能密封圈，驅動軸密封部位采用驅動軸彈簧蓄能密封圈加石墨填料雙重密封，用密封圈擋住驅動軸彈簧蓄能密封圈。

LNG球閥，用于解決傳統的在輸送LNG時存在的不能雙向密封、不能雙向導通、密封泄漏、不容易安全控制、體積較大、設計笨重、閥桿太長等問題，可提高管道內LNG過程控制效率、降低系統設計壓力、縮小閥門體積、提高LNG系統的安全性等。

根據LNG低溫滲漏特點，按照迷宮密封的原理，在低溫閥桿上部開有多個節流降壓的環形齒槽，當閥門打開時，壓力較高的LNG經多個環形齒槽連續節流降壓后，迅速汽化形成高壓氣體，并密封于閥門上部，與底部的LNG壓力達到平衡，以此抵制LNG直接向上滲透并接觸上部密封面，以免凍壞密封面，延長了密封面的使用壽命。節流氣化后的氣體，溫度升高后，密封于閥門上部，可降低LNG與閥門內表面的傳熱速度，延緩冷量向上傳遞，以此降低閥桿及整個閥門的高度，縮小閥門體積。考慮到LNG低溫屬性，閥門頂部設置多重低溫密封，并填充多重密封函，主密封面采用具有內置彈性彈簧的多重閥塞密封，延長密封面長度，增加密封強度，以滿足低溫密封面對LNG的密封要求。同時，設置全焊型閥門，不再設置傳統的閥蓋，以下閥體對焊、上下閥體對焊的形式減少密封面，以最大限度地降低LNG泄漏。

本設計根據LNG低溫閥門冷量由閥體向上傳遞的特點，可根據實際閥門的大小，在上閥體外設置傳熱系數較大的多重圓形散冷翅片，以阻止冷量向上傳遞，達到降低閥桿高度的要求。采用設置預應力的可收縮的彈性閥桿技術，可根據低溫工況下閥體的溫差應力，自由收縮以適應閥體的溫度變化，保證密封面所需的預應力，確保密封面不會因大溫差變化而導致泄漏，還可有效降低整體閥桿的高度，縮小球閥的整體尺寸。