LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案 近年來，由于能源緊缺液化天然氣(LNG)成為主要能源之一。用于LNG的球閥因?yàn)槭褂迷诔蜏氐沫h(huán)境下，對(duì)閥門的結(jié)構(gòu)、材料選擇、制造及檢驗(yàn)等均提出了特殊的要求。超低溫球閥的選材要求,檢測(cè)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并針對(duì)LNG裝置超低溫的運(yùn)行工況,提出了超低溫球閥設(shè)計(jì)選用注意的問題及解決方法,為超低溫球閥的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝和使用提供參考浮動(dòng)球式球閥的密封依靠介質(zhì)的壓力，把球體推向下游的密封面，從而達(dá)到密封的要求。所以一般浮動(dòng)球式低溫球閥的密封結(jié)構(gòu)為上游密封圈采用彈簧預(yù)緊式密封結(jié)構(gòu)，泄壓采用在球體上鉆孔的方式。由于上游介質(zhì)的壓力高，一般閥門的泄壓方向都采用向上游泄壓。彈簧預(yù)緊式閥座可以使球體在彈簧的作用下，壓向下游密封圈。這種密封結(jié)構(gòu)的好處是使密封更可靠，同時(shí)球閥開啟扭矩也會(huì)減小。球體上鉆孔可以使閥腔與閥門上游相通，避免閥腔因介質(zhì)氣化膨脹而局部升壓。
固定球式超低溫球閥的密封一般是雙向密封，即上下游密封圈要同時(shí)起到密封的作用。上游密封圈用單活塞式密封閥座，下游密封圈用雙活塞式密封閥座。單活塞閥座的原理為單向活塞式的作用，在密封副的設(shè)計(jì)上，考慮到因密封面兩個(gè)方向作用力的差值而產(chǎn)生的作用力方向的不同，從而使密封副在壓力差的推動(dòng)下，產(chǎn)生相應(yīng)方向的活塞運(yùn)動(dòng)（單活塞效應(yīng)）。正常壓力下前閥座單活塞密封示意圖見圖1，在上游管道正常推力P1大于反向推力P2時(shí)（P1>P2），在壓力差的作用下，把密封圈壓向球體，達(dá)到密封；而在閥腔壓力升高時(shí)，在此壓力的作用下，推開密封圈，使閥腔里的氣體泄向上游管道。
1. LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案低溫球閥材料
1.1. 主材
針對(duì)不同等級(jí)的低溫環(huán)境，畑中特殊閥門選用不同的材料（表1）。通常對(duì)鐵素體低溫壓力部件進(jìn)行在設(shè)計(jì)溫度下的夏比沖擊實(shí)驗(yàn)。奧氏體不銹鋼逐件進(jìn)行PMI分析。
編號(hào) | 零件名稱 | 材質(zhì) | ||
0℃~-46℃ | -46℃~-104℃ | -104℃~-196℃ | ||
1 | 閥體/ 閥蓋 | SCPL1 | CF8M | CF3M |
2 | 閥球 | SUS316 & SUS630 | SUSF316L | SUSF316L |
3 | 閥座 | PTFE&PCTFE | PTFE&SUS316L | SUS316L |
4 | 閥桿 | SUS316 &SUS630 | SUS316L | SUS316L |
5 | 密封面 | H.Cr | 司太立堆焊 | 自溶合金 |
6 | 墊片 | V#6590 | V#6590 | V#6590 |
7 | 填料 | Grafoil(例:P#6528) | Grafoil(例:P#6610) | Grafoil(例:P#6616CL) |
8 | 緊固件 | ASTM A320-L7, A320-L43 | ASTM A193-B8M | ASTM A193-B8M |
制作低溫球閥的金屬材料在加工成型后需要進(jìn)行低溫處理:冰冷處理或深冷處理。表2 是畑中特殊閥門常用的深冷處理方法。
ASTM牌號(hào) | JIS牌號(hào) | 熱處理方法 | 處理溫度℃ | 深冷時(shí)間 | 深冷次數(shù) |
CF8 | SCS13A | 固溶+深冷 | -196～200 | 2h | 4 |
CF8M | SCS14A | 固溶+深冷 | -196～200 | 24h | 6 |
CF3 | SCS19A | 固溶+深冷 | -196～200 | 3h | 4 |
CF3M | SCS16A | 固溶+深冷 | -254～455 | 24h | 6 |
1.2. 閥桿
畑中特殊閥門使用沉淀硬化不銹鋼或鎳鉻合金作為超低溫球閥閥桿材料，對(duì)奧氏體不銹鋼材料制作的閥桿表面必須進(jìn)行鍍硬鉻或氮化處理提高閥桿表面硬度。表3是表面處理的常用材料。
司太立 | 化學(xué)成分 | 硬度 | 結(jié)合強(qiáng)度 | 空隙率 | ||||
Co | Cr | W | C | Fe | ||||
No | Bal | 30.0 | 12.0 | 2.5 | 3.0Max | HRc54 | 33 | 0 |
No.2 | Bal | 29.0 | 8.0 | 1.35 | 2.5Max | HRc47 | 53 | 0 |
No.6 | Bal | 28.0 | 4.0 | 1.0 | 3.0Max | HRc44 | 74 | 0 |
No.4 | Bal | 30.0 | 14.0 | 0.6 | 3.0Max | HRc44 | 108 | 0 |
1.3. 密封面
在低溫狀態(tài)下，由于非金屬材料的膨脹系數(shù)較大，低溫時(shí)的收縮量與金屬密封件、閥體等耦合件的收縮量相差很多，導(dǎo)致密封性能大幅下降。同時(shí)大多數(shù)非金屬材料在超低溫狀態(tài)下會(huì)發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變并容易導(dǎo)致冷流和應(yīng)力松弛。低于-70℃的環(huán)境就不再采用非金屬密封副材料。而奧氏體不銹鋼閥瓣和閥座密封副由于球體與閥座之間在整個(gè)啟閉過程中始終緊密貼合存在著摩擦，且金屬密封副所要求的密封力較大，未經(jīng)表面硬化處理的球體與閥座之間會(huì)擦傷，影響球閥的密封性能，畑中特殊閥門生產(chǎn)的低溫球閥選用超音速火焰噴涂（HOFV）或者噴焊技術(shù)在球體和閥座密封表面噴涂WC 或鎳鉻合金，使表面硬度達(dá)到HRC68～72 左右，再進(jìn)行高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。
| 合金名稱 | 化學(xué)成分 | 硬度 | 結(jié)合強(qiáng)度 | 空隙率 |
Ni基 | metco16C相當(dāng) | Ni-16Cr-4Si-4B-3Cu-3Mo-2.5Fe-0.75C | HRc60 | 30以上 | 0 |
metco15E相當(dāng) | Ni-17Cr-4Fe-4Si-3.5B-0.9C | HRc62 | 30以上 | 0 | |
Co基 | metco18C相當(dāng) | Co-27Ni-18Cr-6Mo-3.5Si-3B-2.5Fe-0.2C | HRc60 | 30以上 | 0 |
司太立SF20相當(dāng) | Co-13Ni-19Cr-15W-3Si-3B-4Fe-1.3C | HRc60 | 30以上 | 0 | |
Ni基+WC | metco31C相當(dāng) | Ni-11Cr-2.5Fe-2.5Si-2.5B-0.5C-35WC | HRc60-75 | 30以上 | 0 |
碳 化物 | 12鈷碳化鎢 | WC-12Co | Hv1000-1300 | 20以上 | 1以下 |
17鈷碳化鎢 | WC-17Co | Hv1000-1200 | 25以上 | 1以下 | |
鎳鉻碳化鎢 | WC-27NiCr | Hv1000-1200 | 20以上 | 1以下 | |
鎳鉻碳化鉻 | Cr3C2-25NiCr | Hv800-1000 | - | 1以下 |
LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案低溫閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
全通徑或縮徑設(shè)計(jì); 閥桿防飛出設(shè)計(jì)，帶活載且可調(diào)式的填料密封結(jié)構(gòu); 可靠的閥座自泄壓功能，滿足上游或下游泄放; 防火防靜電設(shè)計(jì); 球體固定或浮動(dòng)設(shè)計(jì); LIP-SEAL閥桿密封圈提供一個(gè)初級(jí)密封與低泄漏石墨填料配合設(shè)計(jì); 硬密封或軟密封可選; *的反向壓力環(huán)設(shè)計(jì)，保證密封性能; 采用加高的閥蓋結(jié)構(gòu)，防止填料受低溫介質(zhì)的影響，保護(hù)閥桿不被擦傷; 采用高度可調(diào)式的滴水板結(jié)構(gòu)，使保冷空間不受限制圖1是畑中特殊閥門常用的低溫用途上裝式球閥。在設(shè)計(jì)上充分考慮了低溫工況下對(duì)閥門各個(gè)零部件的要求。
2.1. 閥體
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，要保持閥門密封副不發(fā)生變形，殼體的剛度很重要。壁厚計(jì)算遵循ASME B16.34規(guī)格要求，并在此基礎(chǔ)上平均增加2~4mm。此外，為了防止低溫時(shí)應(yīng)力集中的脆性破壞，應(yīng)盡量避免殼體有尖角、凹槽等。
2.2. 長(zhǎng)頸閥蓋
在低溫環(huán)境下，閥門采用長(zhǎng)閥桿，可以避免填料函溫度降至冰點(diǎn)造成的破壞。畑中特殊閥門依據(jù)MSS-SP-134規(guī)范，全方面考慮頸部長(zhǎng)度和材料的導(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。長(zhǎng)頸部強(qiáng)度計(jì)算通過常用閥體壁厚驗(yàn)算方法確定，同時(shí)在增加一定附加余量后滿足閥體壁厚要求。結(jié)果見表5。
此外，畑中特殊閥門借助于應(yīng)力分析軟件，模擬產(chǎn)品在實(shí)際溫度，壓力等具體環(huán)境中的參數(shù)，并根據(jù)分析數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)頸閥蓋進(jìn)行修正。圖2是長(zhǎng)頸閥蓋的應(yīng)力分析實(shí)例；圖3是閥內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響關(guān)系。
2.3. 密封結(jié)構(gòu)
奧氏體不銹鋼在低溫時(shí)會(huì)發(fā)生部分相變，從而產(chǎn)生相變應(yīng)力變形，同時(shí)溫度的變化也會(huì)產(chǎn)生溫變應(yīng)力變形。因此在制造過程中需對(duì)各零部件進(jìn)行低溫深冷處理，以降低溫度對(duì)超低溫閥門密封性能的影響。
1）由于低溫引起密封面的變形，可能會(huì)發(fā)生常溫下密封良好的閥座在低溫狀態(tài)下發(fā)生泄漏，為此在計(jì)算密封預(yù)緊力時(shí)，在滿足許用比壓的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)增加閥座預(yù)緊力，根據(jù)HSV以往的設(shè)計(jì)及制造經(jīng)驗(yàn)，建議增加30%左右。
2）由于填料通常是非金屬材料，其線膨脹系數(shù)比金屬填料函和閥桿大得多，因此在常溫下裝配的填料，降到一定溫度后，其收縮量大于填料孔和閥桿的收縮量，會(huì)造成預(yù)緊壓力減小引發(fā)泄漏。畑中特殊閥門采用組合式填料(表6)可以適用于不同溫度的環(huán)境。填料由三維組合體構(gòu)成，內(nèi)含特殊潤(rùn)滑分，應(yīng)力松弛極小，適用溫度低至-200℃。
2.4. 防靜電結(jié)構(gòu)
基于 LNG 介質(zhì)的易燃易爆特性，在設(shè)計(jì)LNG低溫閥門時(shí)，必須考慮防靜電措施。尤其對(duì)非金屬高分子材料閥座，有集聚靜電的危險(xiǎn)，靜電能引起火花造成燃燒和爆炸。在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮在閥桿與閥體之間、閥桿與關(guān)閉件之間設(shè)置導(dǎo)通裝置，引出靜電。對(duì)金屬密封的超低溫閥門，可不設(shè)置導(dǎo)通裝置，但在裝配后應(yīng)測(cè)量閥桿與閥體、關(guān)閉件與閥體之間的電阻值小于設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的10Ω。
2.5. 泄壓結(jié)構(gòu)
低溫液化氣體介質(zhì)在溫度升高的情況下會(huì)氣化膨脹，如閥門內(nèi)存在密閉的空間，在積液氣化時(shí)會(huì)造成閥門內(nèi)壓提高數(shù)倍造成泄漏，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生閥體開裂造成事故。球閥在全閉和全開時(shí)都會(huì)形成密閉空間，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮當(dāng)中腔壓力升高時(shí)，閥門能自動(dòng)將高壓介質(zhì)排放出去。畑中特殊閥門通常采用內(nèi)部泄放方式。
第1：通過泄壓孔將閥門中腔與管路進(jìn)口端連通，使中腔壓力始終與管路進(jìn)口端平衡（圖6）；
第二：采用雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座（圖7），當(dāng)中腔壓力達(dá)到設(shè)定的安全泄放壓力時(shí)，中腔介質(zhì)泄放至進(jìn)口管路內(nèi)。
3. LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案低溫閥門的測(cè)試
3.1常用低溫試驗(yàn)方法
目前上通常采用浸漬法和保冷法兩種方式。浸漬法(即外部冷卻法)是將閥門直接放到裝有液氮的保冷箱中冷卻，當(dāng)閥門溫度驟冷至工作溫度后再用氦氣進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。保冷法(即內(nèi)部冷卻法)是將閥門安裝在保冷箱中，通入低溫介質(zhì)進(jìn)入閥門內(nèi)部降溫，當(dāng)溫度降到規(guī)定值時(shí)，將低溫介質(zhì)放掉，然后通入規(guī)定壓力的氦氣進(jìn)行試驗(yàn)。歐美閥門行業(yè)多采用英國(guó)制定的閥門標(biāo)準(zhǔn)BS6364: 1984 (R1998)《低溫閥門》，適用于閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥，溫度范圍-196～ -50℃，其低溫試驗(yàn)方法屬于浸漬法。
3.2日本T.T.O低溫閥門試驗(yàn)
畑中特殊閥門采用日本T.T.O低溫閥指針做為低溫閥的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。指針是由日本三大燃?xì)夤靖鶕?jù)通用法規(guī)制定的關(guān)于低溫閥選材，設(shè)計(jì)，制造，試驗(yàn)，噴涂，包裝以及運(yùn)輸?shù)确矫娴囊?guī)范，其中規(guī)定的允許泄露量較其他規(guī)范更加嚴(yán)格。低溫閥試驗(yàn)裝置(圖8)使用保冷法，閥座密封試驗(yàn)壓力及持續(xù)時(shí)間見表7，低溫試驗(yàn)允許泄漏率見，泄漏量檢測(cè)方法在圖中顯示為水槽中測(cè)量容器。
LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案結(jié)束語
LNG 超低溫閥門由于其使用介質(zhì)分子量小，粘度低，浸透性強(qiáng)，容易泄漏，且其具有易燃易爆的特性，因此在設(shè)計(jì)超低溫閥門時(shí)，必須考慮以下幾點(diǎn)：1）根據(jù)LNG 介質(zhì)特性和-163℃工作溫度選用合適的相容材料；2）采用柔性密封結(jié)構(gòu)；3）采用合理的防火、防爆結(jié)構(gòu)和防超壓結(jié)構(gòu)；4）金屬零部件在加工過程中進(jìn)行深冷工藝處理，；5）進(jìn)行低溫試驗(yàn)。
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