大型低温液体贮槽配套阀门的研制 钱帅 （杭州杭氧工装泵阀有限公司，浙江省杭州市临安青山湖街道东环路９９号３１１３０５） 摘要：介绍大型低温液体贮槽配套阀门的用途、功能，主要叙述低温呼吸阀、低温三通阀、 罐底紧急切断阀的技术参数、结构特点和工作原理，简述阀门使用的注意事项。 关键词：大型低温液体贮槽；低温呼吸阀；低温三通阀；罐底紧急切断阀 中图分类号：ＴＢ６５８ 文献标识码：Ｂ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｖａｌｖｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ・ｓｉｚｅｄ ｌｏｗ・ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｉｑｕｉｄ ｔａｎｋ Ｏｉａｎ Ｓｈｕａｉ （Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｈａｎｇｙａｎｇ ＫＯＳＯ Ｐｕｍｐ＆Ｖａｌｖｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，９９ Ｄｏｎｇｈｕａｎ Ｒｏａｄ，Ｑｉｎｇｓｈａｎｈｕ Ｓｕｂ—ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｌｉｎ’ａｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１１３０５，Ｚｈｅｊｉａｎｇ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈｅｒｅ，ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｌｖｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｆｏｒ ｌａｒｇｅ－ｓｉｚｅｄ ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｉｑｕｉｄ ｔａｎｋ ａｒｅ ｂｒｉｅ￣ｄ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｖａｌｖｅ， ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ３－ｗａｙ ｖａｌｖｅ，ａｎｄ ｔａｎｋ ｂｏｔｔｏｍ ｕｒｇｅｎｔ ｃｕｔ－ｏｆｆ ｖａｌｖｅ ａｒｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｔｅｓ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅ ｖａｌｖｅ ａｒｅ ｏｕｔｌｉｎｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄ ｌｏｗ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｌｉｑｕｉｄ ｔａｎｋ；Ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ ｖａｌｖｅ；Ｌｏｗ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ３－ｗａｙ ｖａｌｖｅ：Ｔａｎｋ ｂｏｔｔｏｍ ｕｒｇｅｎｔ ｃｕｔ—ｏｆｆ ｖａｌｖｅ 前言 ． 性和安全性。杭州杭氧工装泵阀有限公司（以下简 随着钢铁、石化、能源及电子等行业的不断发 称：杭氧工装泵阀）作为低温阀门的专业生产厂家， 展，空分设备及液化装置的不断大型化，低温液体 对大型低温贮槽配套阀门进行了研制，进一步加速 的产量迅猛增加，大型常压、普通堆积绝热型低温 了大型低温贮槽配套阀门的国产化进程。 液体贮槽（以下简称：大型低温贮槽）的需求十分 １大型低温贮槽配套阀门的作用 旺盛。初步估计，国内目前大型低温贮槽的年需求 大型低温贮槽一般放置在水泥平台上，为平底 量为上百台；而且由于用户要求的多样化，要求低 拱盖、圆柱形双壁结构。内容器主要由奥氏体不锈 温贮槽具有更大的容量和更高的压力。尤其是 钢制作，用于贮存低温液体，内部一般保持常压， ＬＮＧ产业的迅猛发展，使大型低温贮槽大型化需 最高压力在２０ ｋＰａ左右。外罐主要由碳钢材料制 求更加旺盛，目前国内最大容积的低温贮槽为 作，和内壁构成一个绝热层。绝热形式：圆柱夹层 ｌ６万ｍ ，国外最大的为２０万ｍ 。 和顶部夹层为珠光砂堆积绝热，底部为泡沫玻璃 大型低温贮槽技术的发展，对相应的安全技术、 砖，并充干燥氮气气封，压力基本在１ ｋＰａ以内。 配套阀门以及管路设计提出了新的要求。不同类型 为保证整台贮槽的安全性，设置了多种安全装 的阀门发挥着重要的作用，直接影响着贮槽的可靠 置（如图１所示），内容器设置低温呼吸阀、罐底 收稿日期：２０１２—１２—１８；修回日期：２０１３－０６—１３ 作者简介：钱帅，男，１９８１年生，工程师，２００４年毕业于中国计量学院机械设计制造及其自动化专业，２０１３年获浙 江工业大学工程硕士学位，现为杭州杭氧工装泵阀有限公司质量科科长，主管质量检验、质量管理和售后服务工作。 ・５３・ 紧急切断阀、放空阀、增压器；外罐设置安全阀、 紧急放空阀。低温呼吸阀是一种能确保低温贮槽内 超压时排放、负压时吸入外界气体的双功能特种阀 门，用来保持贮槽压力始终处于正常设定值。罐底 紧急切断阀在正常的工况下全开，在贮槽液位过低 时（可设定具体值）关闭，在需要时也可人工控 吸入压力一０．５～一０．７ ｋＰａ；适用介质：液氧、 液氮、液氩、液化天然气等。 低温呼吸阀由主阀、主导阀和紧急导阀等组 成，如图２所示。紧急导阀是主导阀在设定正压压 力值条件下不能正常开启时的紧急装置，与主导阀 串联使用。紧急导阀的开启压力设定值比主导阀的 开启压力设定值要稍高，一般为３ ｋＰａ。主导阀和 紧急导阀都设有排放口，且主导阀的排放口与主阀 的排放口连在一起。 制阀门的开启，排净贮槽内液体。其最重要的作用 是当外部管网遇到紧急状况时，这种新型阀门能快 速切断贮槽和外部管线，防止贮槽内液体大量外泄 而造成事故，保证整个贮槽系统的安全，等等。 图１ 大型低温液体贮槽主要阀门示意图 Ｖ１一低温三通阀Ｖ２一低温呼吸阀Ｖ３一罐底紧急切断阀 ｖ４一低温紧急切断阀Ｖ５一放空阀 Ｖ６一紧急放空阀Ｖ７一安全阀 ２大型低温液体贮槽主要阀门的研制 ２．１低温呼吸阀 低温呼吸阀是一种集呼出阀和吸人阀于一体的 低温先导式安全阀，是安装在贮槽顶上的安全装置， 以确保贮槽压力在设计范围内，是保证贮槽内超压 排放、负压吸入的一种双功能特种阀门。用来保证 贮槽压力始终处于正常状态，降低贮槽内挥发性液 体的蒸发损失，避免贮槽受超压或真空吸瘪的破坏。 ２．１．１ 主要技术参数和结构 杭氧工装泵阀研制的低温呼吸阀的主要技术参 数：公称通径１００～２５０ ｍｍ，公称压力２．５ ＭＰａ， 适用温度一１９６～＋８Ｏ℃，呼出压力１０～４０ ｋＰａ， ・５４・ 主导阀 紧急导阀 膜片 排放口 排放口 主阀 主阀阀瓣 图２低温呼吸阀结构图 ２．１．２工作原理 正常工况时，主导阀和紧急导阀都关闭排放 口，紧急导阀腔体和主导阀腔体以及主阀上端腔体 相连通。当介质压力达到并超过开启压力时，主导 阀开启泄压，因各腔体相连通，主阀上端的压力小 于贮槽内的压力，主阀阀瓣在下方介质压力作用下 而开启泄压。若此时主导阀不起作用，各腔体内压 力继续升高，紧急导阀开启泄压。 由于某种原因介质压力低于负压设定值时，主 阀阀瓣上方的压力（外界压力）大于阀瓣下方 （介质）的压力。外界大气压作用于主阀膜片以及 阀瓣，由于主阀膜片面积大于阀瓣面积，在面积差 产生的作用力作用下，克服整个主阀阀瓣运动件的 重力，打开主阀阀瓣，吸入外界大气进行补压，保 护贮槽不被吸瘪。 ２．１．３导阀的特点 导阀的结构如图３所示，主要由调节盘、磁 钢、导阀磁盘等构成。通过调整调节盘和磁钢之间 的间隙ｅ，来改变开启需克服的磁钢与调节盘之间 的作用力，以实现开启压力的调整。若需调高开启 压力，改变间隙ｅ向小的方向进行；若需降低开启 压力，改变间隙ｅ向大的方向进行。 螺母 调节盘 吸人阀为一体，而这种设计可以同时实现吸入与呼 出功能。当然，用于液化天然气的大型低温贮槽， 由于介质的特殊性，呼出阀与吸人阀要单独设置， 且在吸入阀端加管端阻火器等。 ２．２低温三通阀 磁钢 为保证低温液体贮槽的安全运行，一般配备两 只低温呼吸阀，一用一备。当一只出现故障或需要 导阀磁盘 导阀阀体 阀瓣 调校时，故障阀门要在线拆除检修，而另一只立即 在线投入使用，这就需要呼吸阀前有一只三通阀来 直接进行切换。 ２．２．１主要技术参数 图３导阀结构图 与低温呼吸阀配套使用的低温三通阀，其主要 技术参数为：公称通径１００～２５０ ｍｍ，公称压力 ２．５ ＭＰａ，适用温度一１９６～＋８０ ｃ【＝；适用介质： 与一般的弹簧直接载荷式安全阀相比，采用这 种设计有以下三个好处： （１）随着运行压力的增加，封闭力即密封力 增大。也就是说，在达到设定的开启压力之前，阀 门密封性会越来越好，可以防止泄漏。 液氧、液氮、液氩、液化天然气等。 ２．２．２工作原理 低温三通阀阀体有三个管口，安装方向为底部 进、两边出，如图４所示。当阀瓣向左关闭时，右 （２）阀门动作之后，压力没有猛然升高就直 接产生全行程，由此可以立即达到最大可能的体积 流量。在开启压力较低的场合尤为适用。 边的管路和底部相通；当阀瓣向右关闭时，左边的 管路和底部相通；当阀瓣在中间位置时，左右两边 的管路都与底部相通。 （３）弹簧直接载荷式安全阀无法集呼出阀与 左接管 阀瓣 阀杆 图４低温三通阀结构图 用一只低温三通阀来控制两只低温呼吸阀，一 ５所刀 。 方面可以节约成本，另一方面可以避免误操作。如 果呼吸阀前各有一只切断阀门，一旦人为误操作， 两只切断阀都处于关闭状态时，会导致贮槽压力升 高不能及时泄放，严重时会引发事故。而用一只三 通阀，无论阀门开度处于何种状态，至少一只呼吸 阀与贮槽相通。而且，采用这种结构的三通阀，整 个呼吸阀系统布置非常对称，且比较紧凑。 这种低温三通阀最主要的特点是能适应不同场 ２．３罐底紧急切断阀 新型的内置罐底紧急切断阀是一种大型低温液 体贮槽专用阀门。在正常的工况下，受执行机构驱 动，阀门全开；当贮槽液位过低时（可设定具体 值）关闭；在需要时也可人工控制阀门的开启， 排净贮槽内液体。其最重要的作用是当外部管网遇 到紧急状况时，这种新型阀门能迅速切断贮槽和外 合的安装需求，可以根据需要进行管路换向，如图 部管线，防止贮槽内液体大量外泄而造成事故，保 证整个贮槽系统的安全。 ・５５・ （ｂ） （Ｃ） 图５低温三通阀的管口组合方式 ２．３．１主要技术参数 （２）如果在切断阀与贮槽之间发生拉裂，管 其主要技术参数为：公称通径１００～２００ ｍｍ， 路上的紧急切断阀就无法有效地紧急切断液体外 公称压力６ ＭＰａ，适用温度一１９６～＋８Ｏ ｏＣ；适用 泄，从而造成事故，而罐底紧急切断阀能有效避免 介质：液氧、液氮、液氩、液化天然气等。 该问题的发生。 ～ 一ｎ ｕ ¨ｕ ２．３．２ 工作原理 ２．３．４结构及安装 一般大型低温液体贮槽排液，是在容器的底部 罐底紧急切断阀主要由主阀和驱动部分组成， 靠中心处设置一个排液孔，穿过内容器底板、负荷 主阀安装在贮槽底部，驱动部分安装在贮槽的顶 分配板、绝热层和外罐底板到达贮槽外空间，并分 部，正对下部的主阀，其位置误差不超过２０ ｍｍ， 支去低温液体泵或充车泵。罐底紧急切断阀设置在 两者之间用不锈钢绳索进行连接。 内容器的排液口，关闭靠阀瓣自身的重力和贮槽介 驱动部分主要由执行机构、行程调节杆、限位 质压力；开启靠垂直牵引的不锈钢绳索，不锈钢绳 块、阀杆和防护罩等部分组成，与贮槽顶部的引出 索垂直穿过内容器顶部和外罐顶部并靠驱动部分气 管相连接，如图６所示。 动控制。 防护罩 罐底紧急切断阀既可在现场通过仪表盘操作进 执行机构 行紧急关闭，也可在中控室进行远程操控。其功能 是：在正常工况下全开；当贮槽液位过低时（可 设定具体值）或遇紧急状况需要关闭时关闭，迅 行程调节杆 速切断贮槽与外部管路的连通。 ２．３．３安全作用 限位块 目前行业内的常规做法是在输出管道上加设紧 急切断阀，相对于安装在管路上的紧急切断阀来 阀杆 说，罐底紧急切断阀有以下好处： （１）在输出管道上加设紧急切断阀，管路有 贮槽引出管 故障阀门关闭后，会使部分液体留在贮槽与切断阀 之间，增加冷损，汽化量大，并且有一定的安全 隐患。 图６驱动部分结构图 ・５６・ 主阀主要由导向架、阀瓣组（大阀瓣、小阀 瓣）、阀杆等组成，如图７所示。 安装不锈钢绳索时，首先确保主阀的大、小阀 瓣在关闭的位置，驱动部分阀杆处在最下端的地方 （执行机构失气状态），连接工作绳，使不锈钢绳 索处于张紧的状态。考虑到低温的收缩性能，需将 处于张紧状态下的导线再加上安装余量△ ，△ 的 阀杆 计算方法如下： ＡＬ＝Ｌ×材料线胀系数×温差＋安装余量（０～ １０ ｍｍ） 其中，￡为不锈钢绳索处于张紧时的长度，由 图７主阀结构图 大阀瓣通过导向架导向，和阀座形成一对密封 副，小阀瓣与大阀瓣之间形成另一对密封副。小阀 瓣在大阀瓣内可上下运动，并有导杆导向；大阀瓣 在导向架内可上下运动。大、小阀瓣是通过自重及 静液柱的作用向下运动，相关零件的形位公差都要 控制到位；在安装时底板要确保水平；同时，密封 副的表面粗糙度要控制在Ｒａ０．４之内。这样才能 保证所有运动件关闭迅速、密封面在静压水柱下 密封。 驱动部分和主阀通过不锈钢绳索连接。为确保 可靠，一般用两根不锈钢绳索连接，一根为工作 绳，另一根为紧急绳，如图８所示。 驱动部分 紧急绳 工作绳 主阀部分 图８驱动部分和主阀的连接 设计人员确认；不锈钢的细绳材料线胀系数约为 １．６×１０一ｍｍ／Ｋ，温差由设计人员确认，安装余 量一般加５ ｍｍ左右。 安装工作绳后，再安装紧急绳，紧急绳的长度 一般是在工作绳长度的基础上增加最多４０ ｍｍ。 ３结束语 大型低温液体贮槽配套阀门的质量和水平的最 终体现是能否满足贮槽安全运行的需要，能否确保 贮槽在长周期内稳定可靠使用。成功开发研制大型 低温液体贮槽配套阀门，是低温贮槽稳定运行的有 力保证。杭氧工装泵阀研制的阀门分别在武汉石 化、扬子石化、盈德气体投资有限公司、南京钢铁 联合有限公司等的大型低温液体贮槽中得到了很好 的应用。其成功开发，进一步加速了大型低温液体 贮槽配套阀门的国产化，降低了国内配套贮槽的使 用成本，对国内贮槽的大型化发展也起到一定的作 用。 参考文献： ［１］胡赞，张幼军．特大型空分设备配套阀门的研制 ［Ｍ］∥边瑾．深冷技术：开发研制．杭州：杭州出 版社，２００９：４３４６． ［２］陈浩挺．大型常压低温液体贮槽建造的完整性设计 ［Ｍ］∥边瑾．深冷技术：设计制造．杭州：杭州出 版社，２０１１：６－９． ［３］马大方．对大型液氧、液氮贮槽安全的思考［Ｍ］∥ 边瑾．深冷技术：挖潜改进．杭州：杭州出版社， ２０１２．６１—６６． ・５７・
