LNG超低溫蝶閥的研制

2013-08-18 侯晉峰天工閥門集團有限公司

一、前言

　　液化天然氣(LNG)是一種清潔、高效的能源。在環境問題日益顯著的背景下，天然氣作為清潔能源越來越受到青睞。由于這一趨勢，天然氣應用技術也得到了迅速發展，在液化天然氣因其高效而被經常使用的運輸領域尤其如此。我國近年來也越發注重對LNG的引進，在沿海布置了大量的LNG接收站，而LNG從生產到消費的整個流程中，需要用到大量的閥門，該類閥門屬于超低溫閥門之一。做為近年來發展最為迅速的蝶閥來說，在LNG的運用中也越發重要起來。而國內對LNG用超低溫蝶閥仍然是一空白。為此，研制開發LNG用超低溫蝶閥勢在必行。該系列閥門主要針對LNG工況介質，公稱壓力150～600lb(1lb=0.454kg)，設計使用溫度-196℃，公稱通徑DN200～DN1000。

二、結構特點

　　LNG超低溫蝶閥根據使用工況的要求，有法蘭、凸耳、對夾及對焊等連接方式。但由于LNG的著火性和爆炸性，其系統設備配套的LNG低溫閥門的安全性、可靠性比普通低溫閥門的要求更高，并且要求具有耐火設計。因此，LNG超低溫蝶閥主管線多采用對焊結構設計。對焊結構的LNG超低溫蝶閥主要包括帶檢修孔的閥體、檢修閥蓋、蝶板、閥桿和填料壓套加長部分等零部件組成，如圖1所示。

圖1 LNG超低溫蝶閥結構

1.檢修閥蓋2.填料壓套加長部分3.閥桿4.蝶板5.帶檢修孔的閥體

1.閥體

　　由于蝶閥的密封副均位于流體之中，長時間的運行必然導致密封圈的磨損，隨之而來的是閥門密封性能下降，因此對焊連接蝶閥的維修是一個必須解決的問題。傳統的蝶閥維修有兩種方法，一種是直接將整個閥體從管線上卸下，才能從側向取出進行密封機構的更換;另一種是在閥門頂部設有閥蓋，在維修時，將整個閥蓋連同蝶板、閥桿等機構整體從閥體中取出，實現蝶板密封件的在線更換。顯然采用對焊結構，前一種閥門只能將管道切割才能維修，其成本和效果較差;而后一種維修也比較困難，并且不易保證精度。因此，在研制LNG超低溫蝶閥時，在閥體上設置了檢修孔，既能實現不用將整個閥體從流體管線中拆卸下來，也不需將閥桿和閥瓣有連接的部件都拆卸下來，即可更換閥體上的閥座和閥瓣的密封件，使閥門在線維修變得更方便、快捷。

2.密封副

　　閥體上的閥座依靠鑲嵌在閥體槽內的壓環和螺釘固定于閥體上，蝶板主要由蝶板本體、壓板以及密封件組合而成，閥座與蝶板上的密封件構成密封副。由于LNG常壓下的溫度為-162℃，因此密封副的設計采用了金屬與非金屬材料復合結構形式，如圖2所示。

圖2 LNG超低溫蝶閥密封副結構

1.蝶板2.壓板3、7.螺釘4.密封圈5.密封墊6.可拆卸閥座8.壓環 9.閥體

3.閥門填料

　　德國EagleBurgmann公司生產的9650/HT低逸散組合式閥桿填料，如圖3所示。其端環采用碳纖維編織盤根，中部密封環采用高純度石墨帶模壓成形，通過杯錐狀結構和徑向擴張特性，使其密封性能大大提高，滿足TA-Luft標準。

圖3 9650/HT低逸散組合式閥桿填料

1.填料壓蓋2.組合杯錐狀高純度石墨3.高純度石墨帶4.碳纖維編織盤根5.墊片6.加長管7.軸套8.閥桿

三、技術特點

　　超低溫閥門設計除了遵循一般閥門的設計原則外，還有一些特殊的要求。

　　首先，應考慮閥門的主要部件應能承受持久的或瞬間的很大的溫度變化而引起的應力;而且在壓力和溫度交變下的各種載荷的作用力，不應出現明顯的彈塑性變形。設計時除了對閥體、閥蓋進行常規的強度計算外，還應采用有限元應力分析和抗振分析等來確保閥門產品的可靠性，所以LNG超低溫蝶閥均以低碳奧氏體不銹鋼(CF3、CF3M)為主體材料，其耐低溫性、耐壓性、耐磨、耐蝕、焊接性、強度、沖擊韌度、相對伸長率及組織穩定性等均優于其他材質。其次，在滿足強度、剛度要求的情況下，應力求零件的重量小，以減小熱傳導損失。再次，由于低溫工況下閥體所承受的溫度應力、連接管道的膨脹和收縮附加應力都很大，為了防止低溫時應力集中的脆性破壞，殼體中的尖角、凹槽等應盡量避免。更重要的是閥體、蝶板、加長部分以及內件等零件在精加工前必須進行深冷處理，以消除相變的影響，否則在低溫下會發生馬氏體相變，引起閥門變形，導致閥門泄漏。

　　LNG超低溫蝶閥的閥桿填料壓套加長部分長度選定應根據流體介質和是否使用冷箱而設計最優化的長度，以改進在工況環境中的低溫閥門性能。在標準BS6364、MSSSP-134和文獻[1]均對閥桿填料壓套加長部分進行了規定。BS6364帶冷箱的填料壓套加長部分只規定了DN100～DN500的長度，其長度最長;除冷箱用閥門外，其他用途的閥門其填料壓套加長部分最小長度應為250mm。MSS-SP-134則規定了DN15～DN300帶冷箱和非冷箱的長度，比較而言，非冷箱長度比BS6364規定長，帶冷箱長度要短于BS6364規定。文獻[1]則沒有對帶冷箱和非冷箱進行區分，其長度是最短的，但它針對溫度范圍不同制定了相應的長度。而實際應用中，各個設計院又各有規定。綜合考慮，BS6364其加長長度比較可靠，如用于超低溫關鍵場合可參考BS6364標準進行設計或按設計院特殊長度進行設計。而一般低溫的可參照設計手冊的長度進行設計，這樣對減少閥門制作時材料的投入是非常有效的。當然最佳設計還應該考慮加長部分的厚度能否滿足驅動裝置所產生的操作扭矩、其他應力以及熱損失等，如果是優化設計則只能通過試驗或有限元熱分析來確定其最佳長度。

圖4 低溫試驗現場實物圖1

　　閥門的密封性能是其質量優劣的主要指標。首先是外漏，由于該閥門采用對焊連接方式，無疑減少了泄漏點，在填料密封部位我們對閥桿與填料函的精度都進行嚴格控制，并選用了德國EagleBurgmann公司生產的9650/HT低逸散組合式閥桿填料，使填料密封滿足TA-Luft標準。而內漏主要原因是密封件的剛度以及低溫狀態下的變形所致，所以對內件進行剛度校核、加工精度控制以及深冷處理是非常重要的。深冷處理必須在精加工之前進行，并且深冷處理應該使零件溫度達到-196℃后，保溫2～6h，自然處理到室溫，重復循環兩次。

四、經驗總結

　　LNG超低溫蝶閥研制完成后，經過低溫試驗(圖4、圖5)完全滿足BS6364標準，小于DN500的閥門達到了零泄漏。但是也發現了不少問題，產品質量的穩定性并不好，對產品的加工工藝的控制上還應加強，尤其是加工精度和深冷處理等的控制更應該嚴格按工藝執行;同樣針對LNG超低溫蝶閥密封試驗問題，需要設計專用的工裝設備;其次針對對焊閥門袖管的對焊工藝等均需仔細斟酌。

圖5 低溫試驗現場實物圖2(-196℃)

五、結語

　　LNG超低溫蝶閥由于其低溫工況、以及其介質的危險性，所以其詳細設計和生產精度的控制必須極其用心。此外，由于近年來環境問題、安全措施以及節能的要求越來越高，因此符合低逸散標準技術的發展非常重要。另一方面，國內的質量控制隨機性比較強，產品性能不穩定，通過產品標準化手段和先進的工藝手段實現穩定的產品質量仍將是我國LNG超低溫蝶閥的一個目標。