上海申弘閥門有限公司
介紹了低溫閥門在選材,結(jié)構(gòu)設(shè)計,制造工藝以及低溫試驗的特殊要求及其注意事項。LNG氣站系列低溫閥門主體選用鍛件固溶處理，并成功解決了大口徑閥門低溫材料收縮等問題，和填料高壓密封差等問題，浸漬聚四氟乙烯的石棉為填料以柔性石墨為密封材料，這種材料對氣體、液體均不滲透，在厚度方向有10%-15 %的彈性，較低的緊固壓力就可達到密封。它還有自潤滑性，用作閥門填料可以防止填料與閥桿的磨損。柔性石墨填料使用溫度范圍為+480~-210℃。適用于甲烷，液態(tài)天然氣，已烯，二氧化碳，液氨，液氧，液氮，液氫等低溫場所?？筛鷵?jù)用戶要求設(shè)計定產(chǎn)，咨詢
實用介質(zhì)：液氧、液氬、氨液、氮液、壓縮天然氣及工業(yè)低溫液體。
連接方式：法蘭、螺紋、焊接
制造材料：20#﹑1Cr18Ni9Ti﹑304﹑316﹑316L﹑蒙乃爾合金等
超低溫閥門低溫閥門：
適用于介質(zhì)溫度-150℃以下的閥門稱之為超低溫閥門
液化天然氣閥門的材料非常重要，材質(zhì)不合格，會造成殼體及密封面的外漏或內(nèi)漏；零部件的綜合機械性能、強度和鋼度滿足不了使用要求甚至斷裂。導(dǎo)致液化天然氣介質(zhì)泄漏引起爆炸。因此，在開發(fā)、設(shè)計、研制液化天然氣閥門的過程中，材質(zhì)是首要關(guān)鍵的問題。
超低溫閥門包括低溫球閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫安全閥、低溫止回閥等，主要用于三十萬噸乙烯，液化天然氣等化工裝置上。輸出的液態(tài)低溫介質(zhì)如乙烯、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產(chǎn)品等，不但易燃易爆，而且在升溫時要氣化，氣化時，體積膨脹數(shù)百倍。
一、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的球閥因為使用在超低溫的環(huán)境下，對閥門的結(jié)構(gòu)、材料選擇、制造及檢驗等均提出了特殊的要求。
二、低溫球閥材料
1.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行在設(shè)計溫度下的夏比沖擊實驗，奧氏體不銹鋼逐件進行PMI分析。
制作低溫球閥的金屬材料在加工成形后需要進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。
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，對奧氏體不銹鋼材料制作的閥桿表面必須進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。
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，使表面硬度達到68～72HRC，再進行高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。
三、低溫閥門的結(jié)構(gòu)特點
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
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。長頸部強度計算通過常用閥體壁厚驗算方法確定，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。
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
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)計及制造經(jīng)驗，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
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)計規(guī)范所規(guī)定的10Ω。
圖4 防靜電結(jié)構(gòu)
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口端連通，使中腔壓力始終與管路進口端平衡，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)中腔壓力達到設(shè)定的安全泄放壓力時，中腔介質(zhì)泄放至進口管路內(nèi)。
圖5 內(nèi)部泄壓方式
圖 6 雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座
四、低溫閥門的測試
1.常用低溫試驗方法
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行密封性能試驗。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)定壓力的氦氣進行試驗。歐美閥門行業(yè)多采用英國制定的閥門標準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℃，其低溫試驗方法屬于浸漬法。
2.日本T.T.O低溫閥門試驗
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準。T.T.O低溫閥指針是由日本三大燃氣公司根據(jù)通用法規(guī)制定的關(guān)于低溫閥選材，設(shè)計，制造，試驗，噴涂，包裝以及運輸?shù)确矫娴囊?guī)范，其中規(guī)定的允許泄漏量較其他規(guī)范更加嚴格。低溫閥試驗裝置使用保冷法，如圖7所示。閥座密封試驗壓力及持續(xù)時間見表6，低溫試驗允許泄漏率見，泄漏量檢測方法在圖中顯示為水槽中測量容器。
圖 7 低溫試驗裝置
低溫實驗的具體內(nèi)容如表8所示。
五、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，容易泄漏，且其具有易燃易爆的特性，因此在設(shè)計超低溫閥門時，必須考慮以下幾點：
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行深冷工藝處理。
5）進行低溫試驗。與本文相關(guān)的論文有：五陽煤礦應(yīng)用閥門案例
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