液化天然氣用超低溫固定球球閥的設(shè)計(jì).pdf
從設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與試驗(yàn)等方面介紹了液化天然氣接收站用超低溫固定球球閥的技術(shù)特點(diǎn)。
1、概述
液化天然氣( LNG) 作為一種清潔燃料，已成為城市管道供氣、分布式能源系統(tǒng)、汽車及飛機(jī)等交通工具的主要能源之一。LNG 是天然氣在經(jīng)凈化及超低溫狀態(tài)下( - 162℃、一個(gè)大氣壓) 冷卻液化的產(chǎn)物。液化后的天然氣體積約為天然氣體積的1 /600( 0℃、1 個(gè)大氣壓時(shí)) 。LNG 無色無味，主要成分為甲烷，很少有其他雜質(zhì)。其液體密度約426kg /m3，此時(shí)氣體密度約1. 5 kg /m3。爆炸極限為5% ～ 15% ( 體積%) ，燃點(diǎn)為450℃。天然氣液化、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和汽化等工藝配套設(shè)備的建設(shè)，給超低溫閥門的發(fā)展帶來了契機(jī)。LNG 接收站主要的截?cái)嚅y類有超低溫球閥、超低溫閘閥、超低溫截止閥和超低溫蝶閥，其中超低溫球閥用量較多。
2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
2.1、閥體
超低溫固定球球閥為全通徑( 圖1) 結(jié)構(gòu)，閥門在全開啟位置時(shí)無阻擋，內(nèi)部通徑符合API 6D 的規(guī)定。閥體為一體式結(jié)構(gòu)，相對于二片式或三片式閥體，減少了泄漏點(diǎn)。閥門為頂裝式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在線更換內(nèi)部密封件，公稱直徑≥NPS 2 的超低溫球閥設(shè)計(jì)為固定球。
2.2、閥蓋
采用加長閥蓋，其目的在于能起保護(hù)填料函的功能。保證填料函部位的溫度在0℃以上，使填料可以正常工作。加長閥蓋的設(shè)計(jì)主要是頸部長度的設(shè)計(jì)，其與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積及表面散熱系數(shù)、散熱面積等因素有關(guān)，計(jì)算比較繁瑣，一般由實(shí)驗(yàn)法求得或采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。具體數(shù)據(jù)，可以按表1 確定。
1. 閥體2. 閥蓋3. 滴盤4. 支架5. 閥桿6. 齒輪驅(qū)動(dòng)裝置
圖1 超低溫固定球球閥
表1 加長閥蓋頸部長度L( mm)
2.3、滴盤
加長閥蓋設(shè)置有滴盤，可以防止冷凝水流入保溫層。滴盤的位置同時(shí)標(biāo)明了低溫球閥進(jìn)行現(xiàn)場保溫材料的最高位置。在閥蓋上鉆一連通孔，使加長段空腔與閥門中腔連通，確保不會(huì)使加長段空腔產(chǎn)生異常升壓。
2.4、自泄壓
中腔異常升壓的泄放通過自泄壓閥座來實(shí)現(xiàn)，中腔自泄壓方向?yàn)樯嫌喂艿馈?/p>
2.5、閥桿密封
閥桿處密封為低泄漏、低維護(hù)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體尺寸設(shè)計(jì)成二道或多道密封，使閥桿處密封等級(jí)滿足ISO 15848 - 2 的B 級(jí)要求，還可防止水壓試驗(yàn)時(shí)有水進(jìn)入到柔性石墨填料內(nèi)，耐久等級(jí)滿足ISO15848 - 1 的C01 級(jí)。在填料壓板螺栓連接處設(shè)置有碟形彈簧，進(jìn)行過載荷補(bǔ)償，避免了溫度交變下的活動(dòng)載荷的影響。
在閥桿與球體結(jié)合部以及閥桿與閥蓋接觸處有防靜電裝置( 鋼球和彈簧) ，防止靜電在球體上積聚。在12V 直流電下測試，球體與閥蓋及閥桿與閥蓋之間的電阻值不超過10Ω。超低溫固定球球閥還應(yīng)設(shè)計(jì)滿足API 6FA 或API 607 標(biāo)準(zhǔn)的安全防火結(jié)構(gòu)。
2.6、閥座密封
在超低溫狀態(tài)下，閥座與閥體配合處的密封采用唇式密封圈( 圖2) 是最合適的選擇。唇式密封圈本身精度要求高，同時(shí)對配合金屬零件的精度和表面光潔度要求也較高。閥座密封圈材料采用超低溫性能優(yōu)異的PCTFE( kel - f) ，其性能參數(shù)見表2 。
圖2 唇式密封圈
表2 閥座密封圈材料性能
2.7、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
閥門在閥桿與垂線成30°夾角時(shí)，能夠正常操作。手動(dòng)球閥( 包括采用執(zhí)行器、齒輪驅(qū)動(dòng)裝置) 均應(yīng)設(shè)置鎖定裝置，使超低溫球閥可以在全開啟或關(guān)閉的位置都能夠被鎖定。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可在線更換維修，亦能在結(jié)冰的條件下操作。
3、主體材料檢驗(yàn)
(1) 材料的檢驗(yàn)與試驗(yàn)應(yīng)符合相應(yīng)EN 10204及ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的要求。
(2) 對于閥體、閥蓋、閥桿、球體及閥座密封圈，每批( 指同批號(hào)、同材質(zhì)、同規(guī)格、同爐號(hào)和同熱處理?xiàng)l件) 材料至少抽驗(yàn)一次化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的要求。
(3) 所有低溫閥門的鍛造材料和鑄造材料應(yīng)逐件按MSS SP - 55 進(jìn)行外觀檢查( VT) ，對于鑄件熱裂和裂紋缺陷不允許出現(xiàn)，對于鍛件不允許存在發(fā)紋、裂紋、夾層及折疊等缺陷。其余缺陷合格標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于MSS SP - 55 中的B 級(jí)要求。
(4) 鑄造承壓部件材料、對焊端部及與之進(jìn)行焊接的過渡管段的所有焊縫應(yīng)按照ASME B16. 34的要求進(jìn)行射線檢測。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參見ASTM E446、E186 或E280，ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范SEC V卷第五章并應(yīng)滿足上述規(guī)范中A 類、B 類以及C 類不連續(xù)性( 缺陷) 嚴(yán)重等級(jí)2 的要求。不允許存在D、E、F 以及G 類缺陷。
(5) 對低溫球閥的球體密封面、對焊端坡口的外表面，應(yīng)進(jìn)行液體滲透檢測，檢測按ASTM E165標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，這些部位的液體滲透檢驗(yàn)應(yīng)無缺陷。
(6) 鍛造承壓部件材料( 包括閥桿) 應(yīng)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，檢驗(yàn)按ASTM A388 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。不得有任何深度達(dá)到5%壁厚的缺陷存在。
(7) 閥門的缺陷清除以及補(bǔ)焊修復(fù)應(yīng)按照ASME B16. 34 第8. 4 節(jié)的規(guī)定。其中鍛制承壓部件不允許補(bǔ)焊修復(fù)。
(8) 閥門的主要受壓元件( 閥體、閥蓋、球體) 材料應(yīng)進(jìn)行- 196℃ 低溫沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)方法按ASTM A370 的規(guī)定。
(9) 評(píng)定閥體對焊端和短管的焊縫- 196℃ 下的沖擊值。焊接工藝評(píng)定報(bào)告應(yīng)按照ASME B31. 3標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行- 196℃夏比V 型沖擊試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)試樣測試可以接受的最小橫向膨脹值為0. 38mm。
(10) 在超低溫工作溫度下，為保持材料的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止材料相變而引起體積變化，并降低機(jī)械加工對零件變形的影響。對超低溫閥門，其和介質(zhì)接觸的主要零部件均須進(jìn)行深冷處理。將閥體、閥蓋、球體、閥座和閥桿等零件在粗加工后、精加前浸放在液氮箱中進(jìn)行冷卻，當(dāng)零件溫度達(dá)到- 196℃時(shí)，開始保溫1 ～ 2h，然后取出箱外自然處理到常溫，重復(fù)循環(huán)2 次。零件在焊接后也應(yīng)進(jìn)行深冷處理以消除應(yīng)力和變形。
4、閥門的檢查和試驗(yàn)
(1) 對每個(gè)球閥要進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，端部尺寸和偏差應(yīng)符合ASME B16. 10、ASME B16. 5、ASMEB16. 25 標(biāo)準(zhǔn)的要求。
(2) 所有低溫球閥在裝配完成后，應(yīng)進(jìn)行常溫壓力試驗(yàn)。按API 598 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，包括①殼體水壓試驗(yàn)。②高壓密封試驗(yàn)。③低壓密封試驗(yàn)。④閥腔的泄放試驗(yàn)。
(3) 常溫動(dòng)作性能試驗(yàn)中，手動(dòng)和帶驅(qū)動(dòng)裝置的球閥應(yīng)當(dāng)在球閥整機(jī)裝配后至少進(jìn)行5 次完整帶壓啟閉循環(huán)操作。帶驅(qū)動(dòng)裝置的球閥進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)必須整機(jī)帶壓操作球閥。
(4) 奧氏體不銹鋼材質(zhì)的超低溫球閥其壓力試驗(yàn)有特殊要求。①壓力試驗(yàn)用水中的氯離子含量應(yīng)低于0. 03%。②壓力試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)用水應(yīng)立即排凈。球閥應(yīng)徹底除水、除油脫脂處理。
(5) 按ISO 15848 - 2 標(biāo)準(zhǔn)對閥桿和閥體密封件處進(jìn)行逸散性泄漏檢測。
(6) 按API 6D 附錄B. 5 的規(guī)定進(jìn)行防靜電試驗(yàn)。
(7) 球閥低溫試驗(yàn)在常溫試驗(yàn)合格后進(jìn)行，應(yīng)按BS 6364 標(biāo)準(zhǔn)以同尺寸/類型/爐號(hào)和材料的球閥組成一批做低溫性能試驗(yàn)，按10% 比例進(jìn)行抽檢，抽檢比例最少為一件。低溫試驗(yàn)的溫度為- 196℃。執(zhí)行低溫試驗(yàn)前，閥門必需干燥，防止低溫試驗(yàn)時(shí)未干的水固化，影響密封。閥門放入冷卻介質(zhì)中后，應(yīng)通以0. 2MPa 的氦氣，使閥門里的濕氣排除。閥門冷卻過程應(yīng)有合理的熱電偶布置，對閥門的關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度監(jiān)控，確保閥門充分冷卻、溫度均勻后才能開始試驗(yàn)。超低溫試驗(yàn)一般采用液氮進(jìn)行冷卻，用氦氣進(jìn)行閥門泄漏測試。閥座密試驗(yàn)時(shí)，需采用分段式增壓。應(yīng)保證低溫試驗(yàn)后閥門自然回溫，回溫過程應(yīng)防止潮氣進(jìn)入閥門。低溫試驗(yàn)的允許泄漏率見表3。
表3 閥門低溫試驗(yàn)允許泄漏率
5、結(jié)語
隨著天然氣資源以其豐富的蘊(yùn)藏量的開發(fā)和應(yīng)用，LNG 輸送很好的解決了管道天然氣( PNG) 無法到達(dá)的城市天然氣的使用，其發(fā)展迅速，優(yōu)勢明顯，將會(huì)迎來一個(gè)廣闊的發(fā)展空間。在建和規(guī)劃建設(shè)的LNG 接收站將最終構(gòu)成一個(gè)沿海LNG 接收站和輸送管網(wǎng)。隨著市場的放開及國家重大工業(yè)裝置/設(shè)備國產(chǎn)化政策及關(guān)鍵技術(shù)的突破，超低溫閥門的市場需求正逐年上升。通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、材料的檢驗(yàn)、深冷處理，以及低溫性能試驗(yàn)，可以使超低溫固定球球閥在功能、安全性及可靠性等方面滿足LNG 工況的要求。
