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(huán)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(yīng)用技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，在液化天然氣因其高效而被經(jīng)常使用的運輸領(lǐng)域尤其如此。我國近年來也越發(fā)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(chǎn)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(fā)展最為迅速的蝶閥來說，在LNG的運用中也越發(fā)重要起來。而國內(nèi)對LNG用超低溫蝶閥仍然是一空白。為此，研制開發(fā)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(zhì)，公稱壓力150～600lb(1lb=0.454kg)，設(shè)計使用溫度-196℃，公稱通徑DN200～DN1000。

二、結(jié)構(gòu)特點

　　LNG超低溫蝶閥根據(jù)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(tǒng)設(shè)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(shè)計。因此，LNG超低溫蝶閥主管線多采用對焊結(jié)構(gòu)設(shè)計。對焊結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

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(dǎo)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(tǒng)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(cè)向取出進行密封機構(gòu)的更換;另一種是在閥門頂部設(shè)有閥蓋，在維修時，將整個閥蓋連同蝶板、閥桿等機構(gòu)整體從閥體中取出，實現(xiàn)蝶板密封件的在線更換。顯然采用對焊結(jié)構(gòu)，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(shè)置了檢修孔，既能實現(xiàn)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(nèi)的壓環(huán)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(gòu)成密封副。由于LNG常壓下的溫度為-162℃，因此密封副的設(shè)計采用了金屬與非金屬材料復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。

圖2 LNG超低溫蝶閥密封副結(jié)構(gòu)

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(huán) 9.閥體

3.閥門填料

　　德國EagleBurgmann公司生產(chǎn)的9650/HT低逸散組合式閥桿填料，如圖3所示。其端環(huán)采用碳纖維編織盤根，中部密封環(huán)采用高純度石墨帶模壓成形，通過杯錐狀結(jié)構(gòu)和徑向擴張?zhí)匦裕蛊涿芊庑阅艽蟠筇岣�，滿足TA-Luft標(biāo)準(zhǔn)。

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(shù)特點

　　超低溫閥門設(shè)計除了遵循一般閥門的設(shè)計原則外，還有一些特殊的要求。

　　首先，應(yīng)考慮閥門的主要部件應(yīng)能承受持久的或瞬間的很大的溫度變化而引起的應(yīng)力;而且在壓力和溫度交變下的各種載荷的作用力，不應(yīng)出現(xiàn)明顯的彈塑性變形。設(shè)計時除了對閥體、閥蓋進行常規(guī)的強度計算外，還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗振分析等來確保閥門產(chǎn)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(wěn)定性等均優(yōu)于其他材質(zhì)。其次，在滿足強度、剛度要求的情況下，應(yīng)力求零件的重量小，以減小熱傳導(dǎo)損失。再次，由于低溫工況下閥體所承受的溫度應(yīng)力、連接管道的膨脹和收縮附加應(yīng)力都很大，為了防止低溫時應(yīng)力集中的脆性破壞，殼體中的尖角、凹槽等應(yīng)盡量避免。更重要的是閥體、蝶板、加長部分以及內(nèi)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(fā)生馬氏體相變，引起閥門變形，導(dǎo)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(yīng)根據(jù)流體介質(zhì)和是否使用冷箱而設(shè)計最優(yōu)化的長度，以改進在工況環(huán)境中的低溫閥門性能。在標(biāo)準(zhǔn)BS6364、MSSSP-134和文獻(xiàn)[1]均對閥桿填料壓套加長部分進行了規(guī)定。BS6364帶冷箱的填料壓套加長部分只規(guī)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(yīng)為250mm。MSS-SP-134則規(guī)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(guī)定長，帶冷箱長度要短于BS6364規(guī)定。文獻(xiàn)[1]則沒有對帶冷箱和非冷箱進行區(qū)分，其長度是最短的，但它針對溫度范圍不同制定了相應(yīng)的長度。而實際應(yīng)用中，各個設(shè)計院又各有規(guī)定。綜合考慮，BS6364其加長長度比較可靠，如用于超低溫關(guān)鍵場合可參考BS6364標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計或按設(shè)計院特殊長度進行設(shè)計。而一般低溫的可參照設(shè)計手冊的長度進行設(shè)計，這樣對減少閥門制作時材料的投入是非常有效的。當(dāng)然最佳設(shè)計還應(yīng)該考慮加長部分的厚度能否滿足驅(qū)動裝置所產(chǎn)生的操作扭矩、其他應(yīng)力以及熱損失等，如果是優(yōu)化設(shè)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(xiàn)場實物圖1

　　閥門的密封性能是其質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標(biāo)。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(yán)格控制，并選用了德國EagleBurgmann公司生產(chǎn)的9650/HT低逸散組合式閥桿填料，使填料密封滿足TA-Luft標(biāo)準(zhǔn)。而內(nèi)漏主要原因是密封件的剛度以及低溫狀態(tài)下的變形所致，所以對內(nèi)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(yīng)該使零件溫度達(dá)到-196℃后，保溫2～6h，自然處理到室溫，重復(fù)循環(huán)兩次。

四、經(jīng)驗總結(jié)

　　LNG超低溫蝶閥研制完成后，經(jīng)過低溫試驗(圖4、圖5)完全滿足BS6364標(biāo)準(zhǔn)，小于DN500的閥門達(dá)到了零泄漏。但是也發(fā)現(xiàn)了不少問題，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性并不好，對產(chǎn)品的加工工藝的控制上還應(yīng)加強，尤其是加工精度和深冷處理等的控制更應(yīng)該嚴(yán)格按工藝執(zhí)行;同樣針對LNG超低溫蝶閥密封試驗問題，需要設(shè)計專用的工裝設(shè)備;其次針對對焊閥門袖管的對焊工藝等均需仔細(xì)斟酌。

圖5 低溫試驗現(xiàn)場實物圖2(-196℃)

五、結(jié)語

　　LNG超低溫蝶閥由于其低溫工況、以及其介質(zhì)的危險性，所以其詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)精度的控制必須極其用心。此外，由于近年來環(huán)境問題、安全措施以及節(jié)能的要求越來越高，因此符合低逸散標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展非常重要。另一方面，國內(nèi)的質(zhì)量控制隨機性比較強，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，通過產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化手段和先進的工藝手段實現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量仍將是我國LNG超低溫蝶閥的一個目標(biāo)。