LNG超低温蝶阀的研制

2013-08-18 侯晋峰天工阀门集团有限公司

一、前言

　　液化天然气(LNG)是一种清洁、高效的能源。在环境问题日益显著的背景下，天然气作为清洁能源越来越受到青睐。由于这一趋势，天然气应用技术也得到了迅速发展，在液化天然气因其高效而被经常使用的运输领域尤其如此。我国近年来也越发注重对LNG的引进，在沿海布置了大量的LNG接收站，而LNG从生产到消费的整个流程中，需要用到大量的阀门，该类阀门属于超低温阀门之一。做为近年来发展最为迅速的蝶阀来说，在LNG的运用中也越发重要起来。而国内对LNG用超低温蝶阀仍然是一空白。为此，研制开发LNG用超低温蝶阀势在必行。该系列阀门主要针对LNG工况介质，公称压力150～600lb(1lb=0.454kg)，设计使用温度-196℃，公称通径DN200～DN1000。

二、结构特点

　　LNG超低温蝶阀根据使用工况的要求，有法兰、凸耳、对夹及对焊等连接方式。但由于LNG的着火性和爆炸性，其系统设备配套的LNG低温阀门的安全性、可靠性比普通低温阀门的要求更高，并且要求具有耐火设计。因此，LNG超低温蝶阀主管线多采用对焊结构设计。对焊结构的LNG超低温蝶阀主要包括带检修孔的阀体、检修阀盖、蝶板、阀杆和填料压套加长部分等零部件组成，如图1所示。

图1 LNG超低温蝶阀结构

1.检修阀盖2.填料压套加长部分3.阀杆4.蝶板5.带检修孔的阀体

1.阀体

　　由于蝶阀的密封副均位于流体之中，长时间的运行必然导致密封圈的磨损，随之而来的是阀门密封性能下降，因此对焊连接蝶阀的维修是一个必须解决的问题。传统的蝶阀维修有两种方法，一种是直接将整个阀体从管线上卸下，才能从侧向取出进行密封机构的更换;另一种是在阀门顶部设有阀盖，在维修时，将整个阀盖连同蝶板、阀杆等机构整体从阀体中取出，实现蝶板密封件的在线更换。显然采用对焊结构，前一种阀门只能将管道切割才能维修，其成本和效果较差;而后一种维修也比较困难，并且不易保证精度。因此，在研制LNG超低温蝶阀时，在阀体上设置了检修孔，既能实现不用将整个阀体从流体管线中拆卸下来，也不需将阀杆和阀瓣有连接的部件都拆卸下来，即可更换阀体上的阀座和阀瓣的密封件，使阀门在线维修变得更方便、快捷。

2.密封副

　　阀体上的阀座依靠镶嵌在阀体槽内的压环和螺钉固定于阀体上，蝶板主要由蝶板本体、压板以及密封件组合而成，阀座与蝶板上的密封件构成密封副。由于LNG常压下的温度为-162℃，因此密封副的设计采用了金属与非金属材料复合结构形式，如图2所示。

图2 LNG超低温蝶阀密封副结构

1.蝶板2.压板3、7.螺钉4.密封圈5.密封垫6.可拆卸阀座8.压环 9.阀体

3.阀门填料

　　德国EagleBurgmann公司生产的9650/HT低逸散组合式阀杆填料，如图3所示。其端环采用碳纤维编织盘根，中部密封环采用高纯度石墨带模压成形，通过杯锥状结构和径向扩张特性，使其密封性能大大提高，满足TA-Luft标准。

图3 9650/HT低逸散组合式阀杆填料

1.填料压盖2.组合杯锥状高纯度石墨3.高纯度石墨带4.碳纤维编织盘根5.垫片6.加长管7.轴套8.阀杆

三、技术特点

　　超低温阀门设计除了遵循一般阀门的设计原则外，还有一些特殊的要求。

　　首先，应考虑阀门的主要部件应能承受持久的或瞬间的很大的温度变化而引起的应力;而且在压力和温度交变下的各种载荷的作用力，不应出现明显的弹塑性变形。设计时除了对阀体、阀盖进行常规的强度计算外，还应采用有限元应力分析和抗振分析等来确保阀门产品的可靠性，所以LNG超低温蝶阀均以低碳奥氏体不锈钢(CF3、CF3M)为主体材料，其耐低温性、耐压性、耐磨、耐蚀、焊接性、强度、冲击韧度、相对伸长率及组织稳定性等均优于其他材质。其次，在满足强度、刚度要求的情况下，应力求零件的重量小，以减小热传导损失。再次，由于低温工况下阀体所承受的温度应力、连接管道的膨胀和收缩附加应力都很大，为了防止低温时应力集中的脆性破坏，壳体中的尖角、凹槽等应尽量避免。更重要的是阀体、蝶板、加长部分以及内件等零件在精加工前必须进行深冷处理，以消除相变的影响，否则在低温下会发生马氏体相变，引起阀门变形，导致阀门泄漏。

　　LNG超低温蝶阀的阀杆填料压套加长部分长度选定应根据流体介质和是否使用冷箱而设计最优化的长度，以改进在工况环境中的低温阀门性能。在标准BS6364、MSSSP-134和文献[1]均对阀杆填料压套加长部分进行了规定。BS6364带冷箱的填料压套加长部分只规定了DN100～DN500的长度，其长度最长;除冷箱用阀门外，其他用途的阀门其填料压套加长部分最小长度应为250mm。MSS-SP-134则规定了DN15～DN300带冷箱和非冷箱的长度，比较而言，非冷箱长度比BS6364规定长，带冷箱长度要短于BS6364规定。文献[1]则没有对带冷箱和非冷箱进行区分，其长度是最短的，但它针对温度范围不同制定了相应的长度。而实际应用中，各个设计院又各有规定。综合考虑，BS6364其加长长度比较可靠，如用于超低温关键场合可参考BS6364标准进行设计或按设计院特殊长度进行设计。而一般低温的可参照设计手册的长度进行设计，这样对减少阀门制作时材料的投入是非常有效的。当然最佳设计还应该考虑加长部分的厚度能否满足驱动装置所产生的操作扭矩、其他应力以及热损失等，如果是优化设计则只能通过试验或有限元热分析来确定其最佳长度。

图4 低温试验现场实物图1

　　阀门的密封性能是其质量优劣的主要指标。首先是外漏，由于该阀门采用对焊连接方式，无疑减少了泄漏点，在填料密封部位我们对阀杆与填料函的精度都进行严格控制，并选用了德国EagleBurgmann公司生产的9650/HT低逸散组合式阀杆填料，使填料密封满足TA-Luft标准。而内漏主要原因是密封件的刚度以及低温状态下的变形所致，所以对内件进行刚度校核、加工精度控制以及深冷处理是非常重要的。深冷处理必须在精加工之前进行，并且深冷处理应该使零件温度达到-196℃后，保温2～6h，自然处理到室温，重复循环两次。

四、经验总结

　　LNG超低温蝶阀研制完成后，经过低温试验(图4、图5)完全满足BS6364标准，小于DN500的阀门达到了零泄漏。但是也发现了不少问题，产品质量的稳定性并不好，对产品的加工工艺的控制上还应加强，尤其是加工精度和深冷处理等的控制更应该严格按工艺执行;同样针对LNG超低温蝶阀密封试验问题，需要设计专用的工装设备;其次针对对焊阀门袖管的对焊工艺等均需仔细斟酌。

图5 低温试验现场实物图2(-196℃)

五、结语

　　LNG超低温蝶阀由于其低温工况、以及其介质的危险性，所以其详细设计和生产精度的控制必须极其用心。此外，由于近年来环境问题、安全措施以及节能的要求越来越高，因此符合低逸散标准技术的发展非常重要。另一方面，国内的质量控制随机性比较强，产品性能不稳定，通过产品标准化手段和先进的工艺手段实现稳定的产品质量仍将是我国LNG超低温蝶阀的一个目标。