液化天然氣用上裝式固定球球閥的研究

　　分析了液化天然氣接收站用上裝式球閥的結(jié)構(gòu)特性，介紹了波紋管密封上裝式固定球球閥的結(jié)構(gòu)性能及裝配過程和安裝要求。

1、概述

　　液化天然氣(LNG) 是儲存和運輸時所采用的一種獨特物態(tài)，有利于天然氣的遠距離運輸，經(jīng)LNG 接收站進行儲存及氣化后進入城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為球閥具有安裝空間小，啟閉迅速、密封可靠的優(yōu)點，因此LNG 接收站的罐區(qū)普遍采用球閥。為了避免因管道交變溫度應力對閥門密封的影響，普遍采用上裝式球閥。為了減少閥門的操作轉(zhuǎn)矩，各接收站通常規(guī)定公稱尺寸≥NPS 4 的上裝式球閥選用固定式結(jié)構(gòu)。

2、結(jié)構(gòu)分析

　　2.1、外置調(diào)節(jié)棒

　　外置調(diào)節(jié)棒上裝式球閥(圖1) 閥座設(shè)有2 ～4個外置水平方向的調(diào)節(jié)棒，通過調(diào)節(jié)閥座的位移實現(xiàn)閥門的裝配。該結(jié)構(gòu)增加了閥門的外泄漏點，使閥門存在潛在的外泄漏風險，因此不適用于LNG 工況。

圖1 外置調(diào)節(jié)棒上裝式固定球球閥

　　2.2、內(nèi)置調(diào)節(jié)棒

　　內(nèi)置調(diào)節(jié)棒上裝式固定球球閥(圖2) 的每個閥座靠2 個內(nèi)置垂直方向的調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)閥座位移，實現(xiàn)閥門的裝配，這種結(jié)構(gòu)減少了閥門潛在的外泄漏點。由于受結(jié)構(gòu)長度及調(diào)節(jié)棒尺寸、材料等因素的影響，該種結(jié)構(gòu)只能適用于小口徑(≤NPS 6) 上裝式球閥。

圖2 內(nèi)置調(diào)節(jié)棒上裝式固定球球閥

　　2.3、螺紋閥座

　　螺紋閥座的上裝式固定球球閥(圖3) 的閥座前端有徑向螺紋，通過螺紋調(diào)節(jié)圈旋合調(diào)節(jié)閥座位移，實現(xiàn)閥門的裝配。該結(jié)構(gòu)也避免了潛在的外泄漏風險，但由于受螺紋加工精度及長期使用螺紋失效等因素的影響，這種結(jié)構(gòu)盡管在各LNG接收站普遍采用，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為其潛在的失效模式不可避免。

圖3 螺紋閥座上裝式固定球球閥

　　2.4、波紋管密封

　　外置調(diào)節(jié)棒、內(nèi)置調(diào)節(jié)棒及螺紋閥座上裝式固定球球閥的閥體和閥座之間由于采用Lip- seal 密封圈，該密封圈對于配合尺寸精度及表面粗糙度要求高，在深冷工況下有諸多不確定因素，閥門會產(chǎn)生內(nèi)漏。波紋管密封上裝式固定球球閥(圖4) 解決了上裝式結(jié)構(gòu)的局限性、不可靠性以及閥門的內(nèi)漏問題。

　　波紋管密封上裝式固定球球閥采用螺紋導向套結(jié)構(gòu)。波紋管一端和閥座焊接，另一端和閥座螺紋導向套焊接。導向套的端面設(shè)有螺紋孔，閥座法蘭上設(shè)有光孔，靠2 ～3 個內(nèi)六角螺釘調(diào)整閥座的位移，實現(xiàn)球體從上面裝入閥體。

圖4 螺紋導向套結(jié)構(gòu)波紋管密封上裝式固定球球閥

　　上裝式固定球球閥中腔容留的介質(zhì)因溫度升高而導致LNG 汽化。異常升壓時，有可能導致閥門承壓邊界的失效，因此相關(guān)LNG 閥門的產(chǎn)品技術(shù)要求及標準均規(guī)定其中腔具有自泄壓功能。目前現(xiàn)有產(chǎn)品基本是通過閥座前后的面積差或Lip-seal 密封圈實現(xiàn)。對于DIB-2 結(jié)構(gòu)閥門，通過面積差實現(xiàn)，通常一個閥座設(shè)計為單活塞效應(SPE，或稱為自泄放閥座) ，另一個閥座設(shè)計為雙活塞效應(DPE) 。

　　通過Lip-seal 密封圈實現(xiàn)，單活塞效應閥座安裝1個泛塞，而雙活塞效應閥座則安裝2 個背靠背的泛塞。為確保閥門能自動泄壓，球體上裝有自動泄壓閥。泄壓閥的設(shè)定壓力為殼體材料在38℃時壓力額定值的1.1 ～1.33 倍，而泄壓閥的回座壓力不低于殼體材料在38℃時壓力額定值的1. 05 倍。當中腔壓力達到設(shè)定壓力時，閥門即可實現(xiàn)自泄壓功能。閥體上的箭頭方向指向泄壓端方向�？筛鶕�(jù)工藝要求，按箭頭指向安裝閥門，將泄壓端安裝到工藝要求的泄壓方向，確保裝置安全運行。LNG 接收站用上裝式固定球球閥密封圈一般采用PCTFE。由于PCTFE 在低溫下易收縮并變硬，因而該部位存在密封失效的風險。針對這一問題，在密封圈和閥座之間加柔性石墨墊進行密封。柔性石墨在低溫下滲透系數(shù)小，熱膨脹率低，在低溫下仍保持較好的彈性，因此可確保閥座和密封圈的密封。

　　現(xiàn)有的LNG 接收站上裝式固定球球閥的閥桿密封均采用矩形截面填料，通過活載荷彌補填料壓縮使用過程中因磨損而帶來的填料作用力的減小，但并未徹底解決問題。通過對填料的受力分析發(fā)現(xiàn)，閥桿密封是靠徑向力實現(xiàn)的，大量的試驗及工程實踐已證明，隨著填料函深度的增加，填料徑向密封力呈遞減趨勢(圖5) ，趨于下層的填料密封性能較差，整個填料組并沒有完全實現(xiàn)密封功能。

圖5 填料的受力分析

　　針對這一問題，采用Garlock 9000 EVSP 填料組(圖6) 。該填料組兩端為2 個編織環(huán)，起到消除填料擠出與密封的作用，中間自上而下為1 個30°高密度凹面適配環(huán)，3 個45° 低密度碟形密封環(huán)，1個30°高密度凸面適配環(huán)。當填料壓蓋壓緊上端編織填料時，上端編織填料將載荷傳遞給30°高密度凹面適配環(huán)，30°高密度凹面適配環(huán)將載荷傳遞至45°碟形密封環(huán)上，密封環(huán)外徑徑向膨脹以密封填料函壁，內(nèi)徑徑向膨脹以密封閥桿。低密度石墨會填充閥桿上最細小的缺陷并且在密封環(huán)上形成一個石墨層，以利于密封。相比傳統(tǒng)矩形截面填料，杯錐形設(shè)計允許多次調(diào)節(jié)，并使填料組均實現(xiàn)密封。

3、安裝要求

　　在一些LNG 接收站上，發(fā)現(xiàn)多臺低溫閥門將閥桿處于水平方向安裝。從圖7 中可以看出填料部位已經(jīng)結(jié)冰，該閥門的填料已經(jīng)失去密封作用，并且由于凍結(jié)，閥門已經(jīng)很難實現(xiàn)啟閉。文獻[6]規(guī)定了低溫閥門的安裝方法，對于殼體裝有保溫冷箱結(jié)構(gòu)的閥門，其閥桿軸線與水平方向的夾角不應小于45°，對于閥門殼體沒有保溫冷箱的結(jié)構(gòu)，其閥桿軸線與水平方向的夾角不應小于15°。

圖6 填料組(Garlock 9000 EVSP)

圖7 某LNG 接收站低溫閥門

4、結(jié)語

　　LNG 深冷上裝式固定球球閥由于其低溫工況，其結(jié)構(gòu)設(shè)計應分析其介質(zhì)的特殊性，使閥門球體既能實現(xiàn)從上面裝入閥體，便于操作及可靠運行，又要保證閥座和閥體之間及密封圈和閥座之間的有效密封，避免閥門產(chǎn)生內(nèi)漏影響裝置安全運行。由于閥門的介質(zhì)為LNG，當閥門關(guān)閉時必需有效隔離介質(zhì)。另一方面，低溫閥門在管道上的安裝也應引起注意，應按照產(chǎn)品的相關(guān)標準或使用要求安裝閥門。以確保裝置的安全運行，減少對環(huán)境的污染及危害。