LNG超低溫蝶閥的研制

2013-08-18 侯晉峰天工閥門(mén)集團(tuán)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(wèn)題日益顯著的背景下，天然氣作為清潔能源越來(lái)越受到青睞。由于這一趨勢(shì)，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(yùn)輸領(lǐng)域尤其如此。我國(guó)近年來(lái)也越發(fā)注重對(duì)LNG的引進(jìn)，在沿海布置了大量的LNG接收站，而LNG從生產(chǎn)到消費(fèi)的整個(gè)流程中，需要用到大量的閥門(mén)，該類閥門(mén)屬于超低溫閥門(mén)之一。做為近年來(lái)發(fā)展最為迅速的蝶閥來(lái)說(shuō)，在LNG的運(yùn)用中也越發(fā)重要起來(lái)。而國(guó)內(nèi)對(duì)LNG用超低溫蝶閥仍然是一空白。為此，研制開(kāi)發(fā)LNG用超低溫蝶閥勢(shì)在必行。該系列閥門(mén)主要針對(duì)LNG工況介質(zhì)，公稱壓力150～600lb(1lb=0.454kg)，設(shè)計(jì)使用溫度-196℃，公稱通徑DN200～DN1000。

二、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　LNG超低溫蝶閥根據(jù)使用工況的要求，有法蘭、凸耳、對(duì)夾及對(duì)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(mén)的安全性、可靠性比普通低溫閥門(mén)的要求更高，并且要求具有耐火設(shè)計(jì)。因此，LNG超低溫蝶閥主管線多采用對(duì)焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行必然導(dǎo)致密封圈的磨損，隨之而來(lái)的是閥門(mén)密封性能下降，因此對(duì)焊連接蝶閥的維修是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的蝶閥維修有兩種方法，一種是直接將整個(gè)閥體從管線上卸下，才能從側(cè)向取出進(jìn)行密封機(jī)構(gòu)的更換;另一種是在閥門(mén)頂部設(shè)有閥蓋，在維修時(shí)，將整個(gè)閥蓋連同蝶板、閥桿等機(jī)構(gòu)整體從閥體中取出，實(shí)現(xiàn)蝶板密封件的在線更換。顯然采用對(duì)焊結(jié)構(gòu)，前一種閥門(mén)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(shí)，在閥體上設(shè)置了檢修孔，既能實(shí)現(xiàn)不用將整個(gè)閥體從流體管線中拆卸下來(lái)，也不需將閥桿和閥瓣有連接的部件都拆卸下來(lái)，即可更換閥體上的閥座和閥瓣的密封件，使閥門(mén)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(jì)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(mén)填料

　　德國(guó)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(pán)根，中部密封環(huán)采用高純度石墨帶模壓成形，通過(guò)杯錐狀結(jié)構(gòu)和徑向擴(kuò)張?zhí)匦裕蛊涿芊庑阅艽蟠筇岣撸瑵M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(pán)根5.墊片6.加長(zhǎng)管7.軸套8.閥桿

三、技術(shù)特點(diǎn)

　　超低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)除了遵循一般閥門(mén)的設(shè)計(jì)原則外，還有一些特殊的要求。

　　首先，應(yīng)考慮閥門(mén)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(jì)時(shí)除了對(duì)閥體、閥蓋進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算外，還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗振分析等來(lái)確保閥門(mén)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(qiáng)度、沖擊韌度、相對(duì)伸長(zhǎng)率及組織穩(wěn)定性等均優(yōu)于其他材質(zhì)。其次，在滿足強(qiáng)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(shí)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(zhǎng)部分以及內(nèi)件等零件在精加工前必須進(jìn)行深冷處理，以消除相變的影響，否則在低溫下會(huì)發(fā)生馬氏體相變，引起閥門(mén)變形，導(dǎo)致閥門(mén)泄漏。

　　LNG超低溫蝶閥的閥桿填料壓套加長(zhǎng)部分長(zhǎng)度選定應(yīng)根據(jù)流體介質(zhì)和是否使用冷箱而設(shè)計(jì)最優(yōu)化的長(zhǎng)度，以改進(jìn)在工況環(huán)境中的低溫閥門(mén)性能。在標(biāo)準(zhǔn)BS6364、MSSSP-134和文獻(xiàn)[1]均對(duì)閥桿填料壓套加長(zhǎng)部分進(jìn)行了規(guī)定。BS6364帶冷箱的填料壓套加長(zhǎng)部分只規(guī)定了DN100～DN500的長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度最長(zhǎng);除冷箱用閥門(mén)外，其他用途的閥門(mén)其填料壓套加長(zhǎng)部分最小長(zhǎng)度應(yīng)為250mm。MSS-SP-134則規(guī)定了DN15～DN300帶冷箱和非冷箱的長(zhǎng)度，比較而言，非冷箱長(zhǎng)度比BS6364規(guī)定長(zhǎng)，帶冷箱長(zhǎng)度要短于BS6364規(guī)定。文獻(xiàn)[1]則沒(méi)有對(duì)帶冷箱和非冷箱進(jìn)行區(qū)分，其長(zhǎng)度是最短的，但它針對(duì)溫度范圍不同制定了相應(yīng)的長(zhǎng)度。而實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)設(shè)計(jì)院又各有規(guī)定。綜合考慮，BS6364其加長(zhǎng)長(zhǎng)度比較可靠，如用于超低溫關(guān)鍵場(chǎng)合可參考BS6364標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)或按設(shè)計(jì)院特殊長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。而一般低溫的可參照設(shè)計(jì)手冊(cè)的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣對(duì)減少閥門(mén)制作時(shí)材料的投入是非常有效的。當(dāng)然最佳設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮加長(zhǎng)部分的厚度能否滿足驅(qū)動(dòng)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(jì)則只能通過(guò)試驗(yàn)或有限元熱分析來(lái)確定其最佳長(zhǎng)度。

圖4 低溫試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖1

　　閥門(mén)的密封性能是其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)。首先是外漏，由于該閥門(mén)采用對(duì)焊連接方式，無(wú)疑減少了泄漏點(diǎn)，在填料密封部位我們對(duì)閥桿與填料函的精度都進(jìn)行嚴(yán)格控制，并選用了德國(guó)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(duì)內(nèi)件進(jìn)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(jìn)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(yàn)總結(jié)

　　LNG超低溫蝶閥研制完成后，經(jīng)過(guò)低溫試驗(yàn)(圖4、圖5)完全滿足BS6364標(biāo)準(zhǔn)，小于DN500的閥門(mén)達(dá)到了零泄漏。但是也發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性并不好，對(duì)產(chǎn)品的加工工藝的控制上還應(yīng)加強(qiáng)，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(duì)LNG超低溫蝶閥密封試驗(yàn)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)專用的工裝設(shè)備;其次針對(duì)對(duì)焊閥門(mén)袖管的對(duì)焊工藝等均需仔細(xì)斟酌。

圖5 低溫試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖2(-196℃)

五、結(jié)語(yǔ)

　　LNG超低溫蝶閥由于其低溫工況、以及其介質(zhì)的危險(xiǎn)性，所以其詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)精度的控制必須極其用心。此外，由于近年來(lái)環(huán)境問(wèn)題、安全措施以及節(jié)能的要求越來(lái)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(guó)內(nèi)的質(zhì)量控制隨機(jī)性比較強(qiáng)，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，通過(guò)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化手段和先進(jìn)的工藝手段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量仍將是我國(guó)LNG超低溫蝶閥的一個(gè)目標(biāo)。