[发明专利]低温阀门长颈阀盖的设计方法及长颈阀盖及低温阀门

说明书

本申请公开了低温阀门长颈阀盖的设计方法及长颈阀盖及低温阀门，所提供的低温阀门长颈阀盖的设计方法包括如下步骤，根据低温保冷传热理论，结合长颈阀盖的物理模型，推导长颈阀盖的导热微分方程；利用正交验证法得出长颈阀盖的温度场函数；利用导热微分方程及温度场函数推导出一种正交性待定系数法设计长颈阀盖的长度与填料函底温度的数学表达式，使填料底部的温度大于0℃。采用本申请所提供的设计方法设计得到的低温阀门具有能够防止填料划伤阀杆，避免泄漏和火灾事故的发生的优点。

技术领域

本发明涉及阀门设计领域，尤其涉及一种低温阀门长颈阀盖的设计方法及长颈阀盖及低温阀门。

背景技术

低温阀门广泛应用石油化工、空气分离、天然气、制冷以及低温工程等领域中，包括液氮(-196℃)，液氢(-253℃)，液氧(-183℃)，液化天然气(-162℃)等，这些物质在液化分馏、储存和运输的各个环节都需要大量的低温阀门。闸阀、截止阀、球阀和蝶阀等的低温阀门开启和关闭都利用阀杆的运动实现，阀盖与阀杆的密封通常采用填料密封。低温阀门为了避免填料底部工作温度低于0℃，其阀盖的长度比常温阀门要长，即在设计时常采用长颈阀盖。在低温阀现有的设计方法中，长颈阀盖最小长度都采用BS6364《低温阀门》标准、MESC SPE77/200《低温介质下的阀门规范》、ISO 28921-1《工业阀门低温用隔离阀第1部分:设计、制造和产品试验》等相关标准规定的数值，缺乏理论依据。如果低温阀门使用环境不同、设计参数发生变化时，按照相关标准规定设计的长颈阀盖，当空气中的冷凝水进入到填料密封处，填料底部的工作温度有可能低于0℃，填料处会结冰，阀杆与密封填料发生上下或旋转的相对运动，填料就会划伤阀杆，这样不但影响阀杆正常的开关操作，造成密封失效，引起低温液态介质大量泄露，甚至会产生失火和爆炸事故。

如附图1种所示，长颈阀盖(1)中装有阀杆(2)，长颈阀盖(1)的填料函中装有填料(3)，填料(3)与长颈阀盖(1)的填料函内壁和阀杆(2)的外表面接触。在螺母(7)和螺栓(6)的紧固力作用下，填料压板(5)压紧填料压套(4)，填料压套(4)压紧填料(3)，填料(3)发生横向变形，在阀盖(1)填料函内壁和阀杆(2)的外表面形成足够的密封比压，防止低温介质从阀杆(2)的外表面和长颈阀盖(1)填料函内壁泄漏。低温介质与长颈阀盖(1)和阀杆(2)接触，低温介质经热传导后和长颈阀盖(1)和阀杆(2)发生热交换。当长颈阀盖(1)的长度较小时，经与低温介质进行热交换后，长颈阀盖(1)的填料(3)底部温度有可能低于0℃，当空气中的冷凝水进入到长颈阀盖(1)的填料(3)密封处，冷凝水就会在填料(3)处结冰，阀杆(2)与密封填料(3)发生上下或旋转的相对运动，填料(3)就会划伤阀杆(2)，会影响阀杆(2)正常的开关操作，造成密封失效，引起低温液态介质大量泄漏，甚至会产生失火和爆炸事故。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种低温阀门长颈阀盖的设计方法。

本发明实施的目的在于克服上述低温阀门的长颈阀盖存在的问题，提供一种正交性待定系数法设计的低温阀门长颈阀盖长度设计方法，以实现低温阀门安全和可靠地使用。

本发明采取的技术方案如下：

根据柱坐标下的Fourier导热微分方程得长颈阀盖的低温保冷导热微分方程为：

边界条件为：

式中：r为长颈阀盖中心至长颈阀盖任意截面的半径，r₁为长颈阀盖的半径，λ为长颈阀盖的材料的导热系数，h_∞为长颈阀盖表面与空气的自然对流换热系数，t∞为空气温度，Θ_n为长颈阀盖的无量纲过余温度场，L_n为长颈阀盖的法兰下端面到填料底部的距离，h_d为阀杆头部的当量换热系数。

进一步的，长颈阀盖1的过余温度场为：

式中：J₀为零阶的贝塞尔函数，t₀为低温介质温度，z为长颈阀盖中法兰底部至阀杆任意截面的距离，

进一步的，长颈阀盖的与填料底部温度的数学表示为：