液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型
上海申弘閥門有限公司
之前介紹低溫對焊加長桿球閥DQ61F，現(xiàn)在介紹了低溫閥門在選材,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),制造工藝以及低溫試驗(yàn)的特殊要求及其注意事項(xiàng)。
1.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型 品名、型號規(guī)格、數(shù)量、價格.
序號 | 品 名 | 型 號 及 規(guī) 格 | 單位 | 數(shù)量 | 單 價 （元） | 金 額 （元） | 閥體材質(zhì)及其它 |
1 | 球閥 | 低溫球閥DQ61H-40P DN25 PN40 外徑25.4MM,零下低溫30度 | 臺 | 4 | 不銹鋼 |
一、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型前言
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。
二、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型低溫球閥材料
1.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型主材
針對不同等級的低溫環(huán)境，畑中特殊閥門選用不同的材料（見表1）。通常對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。
表 1 畑中特殊閥門低溫球閥主要零件材料
制作低溫球閥的金屬材料在加工成形后需要進(jìn)行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。
表2 畑中特殊閥門常用深冷處理方法
2.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型閥桿
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。
表3 畑中特殊閥門表面處理常用材料
3.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型密封面
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。同時大多數(shù)非金屬材料在超低溫狀態(tài)下會發(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68～72HRC，再進(jìn)行高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。
表4 畑中特殊閥門表面硬化常用材料
三、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型低溫閥門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
畑中特殊閥門常用的低溫用途上裝式球閥，如圖1所示，在設(shè)計(jì)上充分考慮了低溫工況下對閥門各個零部件的要求。
圖1 畑中特殊閥門低溫閥
圖1 畑中特殊閥門低溫閥
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.長頸閥蓋
在低溫環(huán)境下，閥門采用長閥桿，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，同時在增加一定附加余量后滿足閥體小壁厚要求。結(jié)果見表5。
表 5 長頸閥蓋頸部長度
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)對長頸閥蓋進(jìn)行修正，閥內(nèi)結(jié)構(gòu)對溫度場的影響關(guān)系如圖2所示。
圖2 結(jié)構(gòu)對溫度場的影響1
圖2 結(jié)構(gòu)對溫度場的影響2
圖2 結(jié)構(gòu)對溫度場的影響
3.密封結(jié)構(gòu)
奧氏體不銹鋼在低溫時會發(fā)生部分相變，從而產(chǎn)生相變應(yīng)力變形，同時溫度的變化也會產(chǎn)生溫變應(yīng)力變形。因此在制造過程中需對各零部件進(jìn)行低溫深冷處理，以降低溫度對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，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)含特殊潤滑分，應(yīng)力松弛極小，適用溫度低至-200℃。
3）中法蘭一般采用纏繞墊片密封結(jié)構(gòu)。因材料線膨脹系數(shù)不同，密封比壓會有所減小，引起介質(zhì)外漏，因此中法蘭緊固螺栓連接處采用蝶型彈簧墊片預(yù)緊（如圖3所示）補(bǔ)償填料在低溫時的預(yù)緊力確保填料密封性能。
圖3 蝶形彈簧墊片
圖3 蝶形彈簧墊片
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，必須考慮防靜電措施，如圖4所示。尤其對非金屬高分子材料閥座，有集聚靜電的危險，靜電能引起火花造成燃燒和爆炸。在設(shè)計(jì)時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。
圖4 防靜電結(jié)構(gòu)
圖4 防靜電結(jié)構(gòu)
5.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型泄壓結(jié)構(gòu)
低溫液化氣體介質(zhì)在溫度升高的情況下會氣化膨脹，如閥門內(nèi)存在密閉的空間，在積液氣化時會造成閥門內(nèi)壓提高數(shù)倍造成泄漏，嚴(yán)重時發(fā)生閥體開裂造成事故。球閥在全閉和全開時都會形成密閉空間，因此在設(shè)計(jì)時要考慮當(dāng)中腔壓力升高時，閥門能自動將高壓介質(zhì)排放出去。畑中特殊閥門通常采用內(nèi)部泄放方式。
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，如圖5所示；
2）采用雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座，如圖6所示，當(dāng)中腔壓力達(dá)到設(shè)定的安全泄放壓力時，中腔介質(zhì)泄放至進(jìn)口管路內(nèi)。
圖5 內(nèi)部泄壓方式
圖5 內(nèi)部泄壓方式
圖 6 雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座
圖 6 雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座
四、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型低溫閥門的測試
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，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。
2.液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型低溫閥門試驗(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標(biāo)準(zhǔn)。T.T.O低溫閥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)定的允許泄漏量較其他規(guī)范更加嚴(yán)格。低溫閥試驗(yàn)裝置使用保冷法，如圖7所示。閥座密封試驗(yàn)壓力及持續(xù)時間見表6，低溫試驗(yàn)允許泄漏率見，泄漏量檢測方法在圖中顯示為水槽中測量容器。
圖 7 低溫試驗(yàn)裝置
圖 7 低溫試驗(yàn)裝置
表 6 低溫閥閥座密封試驗(yàn)壓力及持續(xù)時間
低溫實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容如表8所示。
表8 低溫性能實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求
五、液化天然氣(LNG)低溫球閥技術(shù)選型結(jié)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，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)。上海申弘閥門有限公司生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,
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