液化天然氣（LNG）低溫球閥技術(shù)選型

                          液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型

                             上海申弘閥門(mén)有限公司

之前介紹低溫對(duì)焊加長(zhǎng)桿球閥DQ61F，現(xiàn)在介紹了低溫閥門(mén)在選材,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),制造工藝以及低溫試驗(yàn)的特殊要求及其注意事項(xiàng)。

1.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型 品名、型號(hào)規(guī)格、數(shù)量、價(jià)格.      

序號(hào)	品  名	型 號(hào) 及 規(guī) 格	單位	數(shù)量	單　價(jià) （元）	金 額 （元）	閥體材質(zhì)及其它
1	球閥	低溫球閥DQ61H-40P DN25 PN40  外徑25.4MM,零下低溫30度	臺(tái)	4			不銹鋼

一、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型前言

近年來(lái)，由于能源緊缺液化天然氣(LNG)成為主要能源之一。用于LNG的球閥因?yàn)槭褂迷诔蜏氐沫h(huán)境下，對(duì)閥門(mén)的結(jié)構(gòu)、材料選擇、制造及檢驗(yàn)等均提出了特殊的要求。

二、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型低溫球閥材料

1.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型主材

針對(duì)不同等級(jí)的低溫環(huán)境，畑中特殊閥門(mén)選用不同的材料（見(jiàn)表1）。通常對(duì)鐵素體低溫壓力部件進(jìn)行在設(shè)計(jì)溫度下的夏比沖擊實(shí)驗(yàn)，奧氏體不銹鋼逐件進(jìn)行PMI分析。

表 1 畑中特殊閥門(mén)低溫球閥主要零件材料

制作低溫球閥的金屬材料在加工成形后需要進(jìn)行冰冷處理或深冷處理。表2 是畑中特殊閥門(mén)常用的深冷處理方法。

表2 畑中特殊閥門(mén)常用深冷處理方法

2.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型閥桿

畑中特殊閥門(mén)使用沉淀硬化不銹鋼或鎳鉻合金作為超低溫球閥閥桿材料，對(duì)奧氏體不銹鋼材料制作的閥桿表面必須進(jìn)行鍍硬鉻或氮化處理提高閥桿表面硬度。表3是表面處理的常用材料。

表3 畑中特殊閥門(mén)表面處理常用材料

3.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型密封面

在低溫狀態(tài)下，由于非金屬材料的膨脹系數(shù)較大，低溫時(shí)的收縮量與金屬密封件、閥體等耦合件的收縮量相差很多，導(dǎo)致密封性能大幅下降。同時(shí)大多數(shù)非金屬材料在超低溫狀態(tài)下會(huì)發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變并容易導(dǎo)致冷流和應(yīng)力松弛。低于-70℃的環(huán)境就不再采用非金屬密封副材料。而奧氏體不銹鋼閥瓣和閥座密封副由于球體與閥座之間在整個(gè)啟閉過(guò)程中始終緊密貼合存在著摩擦，且金屬密封副所要求的密封力較大，未經(jīng)表面硬化處理的球體與閥座之間會(huì)擦傷，影響球閥的密封性能，畑中特殊閥門(mén)生產(chǎn)的低溫球閥選用超音速火焰噴涂（HOFV）或者噴焊技術(shù)在球體和閥座密封表面噴涂WC 或鎳鉻合金，使表面硬度達(dá)到68～72HRC，再進(jìn)行高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。

表4 畑中特殊閥門(mén)表面硬化常用材料
三、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型低溫閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

畑中特殊閥門(mén)常用的低溫用途上裝式球閥，如圖1所示，在設(shè)計(jì)上充分考慮了低溫工況下對(duì)閥門(mén)各個(gè)零部件的要求。



 
圖1 畑中特殊閥門(mén)低溫閥



圖1 畑中特殊閥門(mén)低溫閥

1.閥體

低溫工況下閥體所承受的溫度應(yīng)力、連接管道的膨脹和收縮附加應(yīng)力都很大，要保持閥門(mén)密封副不發(fā)生變形，殼體的剛度很重要。壁厚計(jì)算遵循ASME B16.34規(guī)格要求，并在此基礎(chǔ)上平均增加2~4mm。此外，為了防止低溫時(shí)應(yīng)力集中的脆性破壞，應(yīng)盡量避免殼體有尖角、凹槽等。

2.長(zhǎng)頸閥蓋

在低溫環(huán)境下，閥門(mén)采用長(zhǎng)閥桿，可以避免填料函溫度降至冰點(diǎn)造成的破壞。畑中特殊閥門(mén)依據(jù)MSS-SP-134規(guī)范，全方面考慮頸部長(zhǎng)度和材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積及表面散熱系數(shù)、散熱面積等因素。長(zhǎng)頸部強(qiáng)度計(jì)算通過(guò)常用閥體壁厚驗(yàn)算方法確定，同時(shí)在增加一定附加余量后滿足閥體小壁厚要求。結(jié)果見(jiàn)表5。

表 5 長(zhǎng)頸閥蓋頸部長(zhǎng)度

此外，畑中特殊閥門(mén)借助于應(yīng)力分析軟件，模擬產(chǎn)品在實(shí)際溫度，壓力等具體環(huán)境中的參數(shù)，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)頸閥蓋進(jìn)行修正，閥內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響關(guān)系如圖2所示。
 
圖2 結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響1
 
圖2 結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響2
圖2  結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響

3.密封結(jié)構(gòu)

奧氏體不銹鋼在低溫時(shí)會(huì)發(fā)生部分相變，從而產(chǎn)生相變應(yīng)力變形，同時(shí)溫度的變化也會(huì)產(chǎn)生溫變應(yīng)力變形。因此在制造過(guò)程中需對(duì)各零部件進(jìn)行低溫深冷處理，以降低溫度對(duì)超低溫閥門(mén)密封性能的影響。

1）由于低溫引起密封面的變形，可能會(huì)發(fā)生常溫下密封良好的閥座在低溫狀態(tài)下發(fā)生泄漏，為此在計(jì)算密封預(yù)緊力時(shí)，在滿足許用比壓的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)增加閥座預(yù)緊力，根據(jù)HSV以往的設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn)，建議增加30%左右。

2）由于填料通常是非金屬材料，其線膨脹系數(shù)比金屬填料函和閥桿大得多，因此在常溫下裝配的填料，降到一定溫度后，其收縮量大于填料孔和閥桿的收縮量，會(huì)造成預(yù)緊壓力減小引發(fā)泄漏。畑中特殊閥門(mén)采用組合式填料可以適用于不同溫度的環(huán)境。填料由三維組合體構(gòu)成，內(nèi)含特殊潤(rùn)滑分，應(yīng)力松弛極小，適用溫度低至-200℃。

3）中法蘭一般采用纏繞墊片密封結(jié)構(gòu)。因材料線膨脹系數(shù)不同，密封比壓會(huì)有所減小，引起介質(zhì)外漏，因此中法蘭緊固螺栓連接處采用蝶型彈簧墊片預(yù)緊（如圖3所示）補(bǔ)償填料在低溫時(shí)的預(yù)緊力確保填料密封性能。
 
圖3 蝶形彈簧墊片
圖3 蝶形彈簧墊片

4.防靜電結(jié)構(gòu)

基于 LNG 介質(zhì)的易燃易爆特性，在設(shè)計(jì)LNG低溫閥門(mén)時(shí)，必須考慮防靜電措施，如圖4所示。尤其對(duì)非金屬高分子材料閥座，有集聚靜電的危險(xiǎn)，靜電能引起火花造成燃燒和爆炸。在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在閥桿與閥體之間、閥桿與關(guān)閉件之間設(shè)置導(dǎo)通裝置，引出靜電。對(duì)金屬密封的超低溫閥門(mén)，可不設(shè)置導(dǎo)通裝置，但在裝配后應(yīng)測(cè)量閥桿與閥體、關(guān)閉件與閥體之間的電阻值小于設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的10Ω。
 
圖4 防靜電結(jié)構(gòu)
圖4 防靜電結(jié)構(gòu)

5.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型泄壓結(jié)構(gòu)

低溫液化氣體介質(zhì)在溫度升高的情況下會(huì)氣化膨脹，如閥門(mén)內(nèi)存在密閉的空間，在積液氣化時(shí)會(huì)造成閥門(mén)內(nèi)壓提高數(shù)倍造成泄漏，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生閥體開(kāi)裂造成事故。球閥在全閉和全開(kāi)時(shí)都會(huì)形成密閉空間，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮當(dāng)中腔壓力升高時(shí)，閥門(mén)能自動(dòng)將高壓介質(zhì)排放出去。畑中特殊閥門(mén)通常采用內(nèi)部泄放方式。

1）通過(guò)泄壓孔將閥門(mén)中腔與管路進(jìn)口端連通，使中腔壓力始終與管路進(jìn)口端平衡，如圖5所示；

2）采用雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座，如圖6所示，當(dāng)中腔壓力達(dá)到設(shè)定的安全泄放壓力時(shí)，中腔介質(zhì)泄放至進(jìn)口管路內(nèi)。
 
圖5 內(nèi)部泄壓方式
圖5 內(nèi)部泄壓方式 
   
  圖 6 雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座  
 圖 6 雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座

四、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型低溫閥門(mén)的測(cè)試

1.常用低溫試驗(yàn)方法

目前上通常采用浸漬法和保冷法兩種方式。浸漬法（即外部冷卻法）是將閥門(mén)直接放到裝有液氮的保冷箱中冷卻，當(dāng)閥門(mén)溫度驟冷至工作溫度后再用氦氣進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。保冷法（即內(nèi)部冷卻法）是將閥門(mén)安裝在保冷箱中，通入低溫介質(zhì)進(jìn)入閥門(mén)內(nèi)部降溫，當(dāng)溫度降到規(guī)定值時(shí)，將低溫介質(zhì)放掉，然后通入規(guī)定壓力的氦氣進(jìn)行試驗(yàn)。歐美閥門(mén)行業(yè)多采用英國(guó)制定的閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)BS6364：1984 （R1998）《低溫閥門(mén)》，適用于閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥，溫度范圍-196～ -50℃，其低溫試驗(yàn)方法屬于浸漬法。

2.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型低溫閥門(mén)試驗(yàn)

畑中特殊閥門(mén)采用日本T.T.O低溫閥指針做為低溫閥的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。T.T.O低溫閥指針是由日本三大燃?xì)夤靖鶕?jù)通用法規(guī)制定的關(guān)于低溫閥選材，設(shè)計(jì)，制造，試驗(yàn)，噴涂，包裝以及運(yùn)輸?shù)确矫娴囊?guī)范，其中規(guī)定的允許泄漏量較其他規(guī)范更加嚴(yán)格。低溫閥試驗(yàn)裝置使用保冷法，如圖7所示。閥座密封試驗(yàn)壓力及持續(xù)時(shí)間見(jiàn)表6，低溫試驗(yàn)允許泄漏率見(jiàn)，泄漏量檢測(cè)方法在圖中顯示為水槽中測(cè)量容器。
 
圖 7 低溫試驗(yàn)裝置
圖 7  低溫試驗(yàn)裝置


表 6 低溫閥閥座密封試驗(yàn)壓力及持續(xù)時(shí)間

低溫實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容如表8所示。

表8 低溫性能實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求

五、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型結(jié)語(yǔ)

LNG 超低溫閥門(mén)由于其使用介質(zhì)分子量小，粘度低，浸透性強(qiáng)，容易泄漏，且其具有易燃易爆的特性，因此在設(shè)計(jì)超低溫閥門(mén)時(shí)，必須考慮以下幾點(diǎn)：

1）根據(jù)LNG 介質(zhì)特性和-163℃工作溫度選用合適的相容材料。

2）采用柔性密封結(jié)構(gòu)。

3）采用合理的防火、防爆結(jié)構(gòu)和防超壓結(jié)構(gòu)。

4）金屬零部件在加工過(guò)程中進(jìn)行深冷工藝處理。

5）進(jìn)行低溫試驗(yàn)。上海申弘閥門(mén)有限公司生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,