液化天然气船用超低温蝶阀的设计与研究

2014-08-20 王永明江苏哈瑞凯阀门有限公司

　　介绍了液化天然气船用超低温蝶阀的设计，材料选用，制造工艺和产品试验特殊要求。

1、概述

　　随着全球液化天然气( LNG) 生产和贸易的日益增长，LNG 船舶作为海上运输的主要手段和工具，成为各国船舶建造的热点。目前，我国LNG 船用超低温阀门基本上从国外进口。自行设计和制造具有我国自主知识产权的LNG 船用超低温阀门显得极其重要。

2、类型

　　不同种类的阀门，其在船舶管系与安装中所占有的空间、质量和性能有着明显的差异( 图1) 。在低温系统中，如选用球阀、闸阀或旋塞阀作为开启和关闭件时，因为该类阀门关闭状态时存在着封闭的中腔( 球阀在全开位置同样形成密闭空间) 并充满介质，随着环境温度的逐渐升高，在阀门中腔内的低温液化天然气将发生气化现象，增大体积约600 倍，导致阀腔内压力迅速增高，很有可能超过阀体所容许的压力。如果阀腔内压力无法释放，将会产生极为严重的安全事故。而超低温蝶阀在结构上避免了阀中腔介质异常升压现象，无需采用内部和外部泄放方法，或外加泄放集气装置解决阀中腔介质异常升压的问题，保证了环境和设备的安全。

相同规格不同类型的阀门

a) 截止阀( b) 闸阀( c) 球阀

图1 相同规格不同类型的阀门

3、采用标准

　　LNG 船用超低温蝶阀的设计和制造工艺采用IGCCODE 国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则( 2002 年7 月1 日生效) 、BS 6364 低温阀门、MSSSP -134 对低温阀门及其阀体阀盖加长体的要求及JB /T 7749 低温阀门技术条件等标准和规范。

4、材料选用

　　通常LNG 船用超低温蝶阀的工作温度约在- 163℃以下，在此温度下，阀门的金属材料会产生低温冷脆现象，即材料的硬度和脆性提高，塑料和韧性降低，从而影响阀门的性能和系统使用安全。为了防止阀门材料在低温情况下的低应力脆断，通常在设计超低温阀门时，阀体、阀板、密封座、阀杆、填料和紧固件等，其承压零部件大多选用具有面心立方晶格的奥氏体不锈钢。铜及铜合金和铝及铝合金其力学性能较差，难以在超低温下满足其性能要求，故在超低温阀门很少应用。低碳奥氏体不锈钢在低温时变形小，而且没有明显的低温冷脆临界温度，可作为超低温阀门首选材料。

　　低碳奥氏体不锈钢的耐低温性、耐压性、耐腐蚀、耐磨损、焊接性、强度、冲击韧性、相对伸长率和组织稳定性等综合性能均优于其他材料。常用的低温材料牌号有304、304L、316 和316L，其中316L 的稳定性最好，用于阀杆材料需作沉淀硬化处理，以提高材料强度和表面硬度。所有零件材料必须进行低温处理，尽量降低阀门在超低温条件下尺寸发生变化，有效避免材料在超低温条件下形变，且以二次低温处理为佳，低温处理的时间在2 ～ 6h 为宜。一般低温深冷处理的温度要低于阀门选用零件的材料相变温度，并应低于阀门在低温工作中的实际工作温度，以减少在使用过程中超低温对材料的变形而影响阀门的性能。所选零件材料还需进行无损探伤( PT、UT、RT) ，保证阀门材料不存在缺陷，奥氏体钢固溶处理，材料还必须进行- 196℃低温韧性冲击试验，最小平均冲击值E = 41J。

5、结构设计

　　船用超低温蝶阀( 图2) 的密封副采用三偏心结构，其蝶板为斜切的椭圆形( 图3) ，连接形式分为法兰连接和焊接连接。

三偏心蝶阀

图2 三偏心蝶阀

5.1、密封副

　　蝶板与金属阀座( U 形圈) 靠机械力实现密封( 图4) ，而不是依附管道介质压力，因此无论压力波动大小，均能达到双向密封。通过采用CAD -CAM 系统设计、检验及模拟优化，保证其可靠性和安全性。U 形圈具有补偿功能，即使在温度反复变化的情况下，仍然保持可靠密封，阀体的微量收缩也不会产生U 形圈夹持现象。U 形圈选用INCOLOY制作，弹性好，强度高，表面镀铬，硬度> 60HRC。

椭圆形蝶板

图3 椭圆形蝶板

密封副结构

图4 密封副结构

　　在蝶阀关闭状态下，安装在阀体内槽中的U 形圈可以浮动的随着椭圆形蝶板变形，椭圆形的蝶板挤入圆形的U 形圈，U 形圈与蝶板密封面圆周紧密接合，包在蝶板外圆周上，产生密封张力，达到密封效果。在蝶阀开启瞬间，U 形圈与蝶板的接合瞬间分离，安装在阀体内槽中的U 形圈自动恢复其原来形状，结构上杜绝了传统金属密封副之间的磨损，其密封性能完全能满足标准要求。

　　阀门使用过程中，其密封线是固定在某一位置上的。任何密封体( 副) 在使用中总会有磨损现象产生，从而会引起阀门的泄漏，尤其是在恶劣的工况条件下，其使用寿命更短。超低温蝶阀在密封结构设计上可自动更移密封线位置( 图5) ，可靠保证阀门的密封性能，从而延长产品使用寿命。

5.2、阀杆密封

　　超低温蝶阀的阀杆采用带双重填料动载填料密封形式( 图6) 。阀杆密封采用长颈设计。长颈的长度及强度、材料的导热面积及系数和表面散热系数及散热面积，均通过有限元热分析确定，保证阀门阀杆填料函部位的温度在0℃以上，防止产生因阀杆填料函部分过冷，使填料、填料压盖、螺栓螺母和蝶形弹簧组出现冷冻和结霜的现象。

蝶阀关闭过程

(a) 蝶阀即将关闭(b) 蝶阀关闭位置(c) 蝶阀关闭调整位置(d) 蝶阀关闭调整更移密封线(e) 可调整密封线区域(H)

图5 蝶阀关闭过程

阀杆密封

图6 阀杆密封

　　填料压盖压紧结构采用蝶形弹簧组预紧方式，使阀杆填料密封在低温状态下的预紧力可以得到连续补偿，同时可补偿温度波动变化时螺栓变形量产生的变化，保证阀杆填料密封性能长期有效。填料采用柔性石墨。柔性石墨对气体，液体均不渗透，压缩率大于40%，回弹性大于15%，应力松弛小于5%，以较小的紧固力就能达到密封，柔性石墨还具有较好的自润滑性，能有效的防止填料与阀杆间的磨损。

5.3、紧固件

　　船用超低温蝶阀中所配用的螺栓和螺母采用奥氏体钢，并进行冷作硬化处理。考虑到螺栓的螺纹根部容易产生应力集中，螺栓采用全螺纹形状，同时在阀门装配时螺纹部位涂二硫化钼，防止螺纹拧紧时卡住。

5.4、防静电

　　LNG 是一种具有易燃易爆特性的介质。在蝶阀的设计中采用了防集聚静电的结构，以防止静电引起火花造成LNG 燃烧甚至爆炸。在阀杆与阀体间设置导通装置，用以引出静电，消除隐患，其电阻值小于设计规范规定的10Ω。