LNG超低溫閥門的設計及材料低溫物性的研究

羅起飛（中國圣博萊閥門有限公司,上海 201500）

LNG超低溫閥門的設計及材料低溫物性的研究

羅起飛
（中國圣博萊閥門有限公司,上海 201500）

摘 要：隨著社會的發展以及工業技術的革新，液化天然氣已經被廣泛應用于人們生活中，但是液化天然氣的存儲運輸是一個比較難的問題，液化天然氣沸點-162°C，在如此低溫條件下對于閥門的設計方式是否合理以及材料是否恰當就顯得尤為重要，因為一般的材料在如此低溫條件下表現的結構不穩定或易脆。本文將對LNG超低溫閥門設計方法進行討論，以及選取存儲LNG的材料在低溫時候的物性進行研究。

關鍵詞：LNG；超低溫閥門；材料低溫物性

0 前言

隨著社會的發展，工業技術的創新，人們生活質量的提高，如今天然氣尤其是LNG已經深入到許許多多人們的生活中，就算在農村，很多農民也漸漸的接受了天然氣。到現在為止，液化天然氣每年都保持著較高的增長比例，在全球液化天然氣也是主要的使用能源之一，我國也將其作為調整能源結構的重點工作。液化天然氣是一種高效、使用方便且相對很安全的一種清潔能源，其主要成分是甲烷，此外還含有少量的乙烷、丙烷等[1]。液化天然氣的來源方式主要是通過氣田的開采，但是直接開采出來的還并未是我們所說的液化天然氣，它還需要經過脫水、重烴類分離、酸性氣體分離以及在-162°C進行液化，最后才能形成我們所說的液化天然氣。由于液化天然氣的沸點是如此的低溫，因此如何選擇低溫材料來保存就需要非常謹慎，其次存儲液化天然氣的閥門也同樣謹慎對待，閥門的可靠、安全可以防止液化天然氣的泄露以及因泄露導致爆炸。

1 超低溫閥門的設計

閥門是一種在液體運輸系統中不可或缺的部件，其主要的作用是對運輸的液體進行引導流動方向、調節液體流動速度、控制是否液體流動、運輸中防止液體泄漏等等。LNG超低溫閥門是一種特殊材質制成的閥門，普通的閥門主要考慮房腐蝕，但是對于LNG超低溫閥門則需要在考慮防腐蝕的前提外，還需要考慮-162°C低溫的影響，一般材質在這種低溫下很難保持好韌性以及好的穩定性，在如此低的溫度下一般的材質穩定性不夠容易發生變形，從而導致閥門出現縫隙，出現液化天然氣泄漏的情況。

液化天然氣超低溫閥門設計首要需要考慮的是其氣密性，即是說如何設計可以有效的減少LNG的泄露，首先為了減少裝置之間的耦合性因素，對于閥門我們需要其整體成型的鍛造，從而減少零件之間的耦合性；其次，閥門與容器之間必然會存在銜接處，對于銜接處的焊接需考慮到以后長期低溫對焊接處的影響，因此在選擇焊接工藝的時候需要特殊考慮。等離子堆焊技術是近年來發展迅猛的一種焊接技術，早在50年代時候其就已經被廣泛應用[2]，近年來，科學家已經將該技術推廣到多種材料領域，包括陶瓷材料、復合材料等。等離子堆焊技術以等離子弧作為焊接時候所需提供的熱源，然后將焊料和母料表面熔化，從而使焊料在母料表明形成一種冶金結合物，這種冶金結合物具有很好的耐磨性、抗腐蝕性以及很強的硬度等特性。

閥門的設計方式上通常有閘閥、球閥、蝶閥、截止閥、止回閥等等，不同的類型有著不同的特點。閘閥，在超低溫條件下使用的閘閥是一種單向密封的閥門，需要在閥體上表明介質的流向。球閥，在超低溫條件下通常采用頂裝式結構，其密封性較差，通常將其使用于帶顆粒物體的流體。蝶閥，在超低溫條件下需要雙向密封，閥門密封性、可靠性較好。截止閥，在超低溫條件下采用錐面或者球面密封，密封性較好。止回閥，在超低溫條件下采用旋啟式或軸式。主要考慮低溫時的密封性以及可靠性，本文采用截止閥。

2 材料低溫物性研究

液化天然氣的沸點為-162°C，所以LNG閥門的正常溫度應該也是-162°C，在如此的低溫條件下，一般的金屬材料將會表現出一種冷脆的現象，這也就以為著若使用日常生活中所見到的閥門材料，那么其安全性、氣密性、穩定性等都將成為很大的疑惑點。因此，為了防止這種冷脆的現象，那么材料的選擇上我們就應該放棄常用的金屬材料，尋找耐低溫的材料。奧氏不銹鋼是一種具有良好韌性、強度、焊接性且耐腐蝕的面心立方結構材料，且其在溫度上下浮動中有著較低的膨脹系數，在接近-200°C時候也不表現出冷脆現象，其主要含量有Cr和Ni，兩者含量占三分之一左右，其余還含有C、Τi、N、S、P等，常見的奧氏不銹鋼有ΑISI304，ΑISI304L，ΑISI316，ΑISI316L等，據有關資料顯示ΑISI316L的穩定性最佳，常用做超低溫材料，因此在選擇閥門材料時候選擇ΑISI316L作為制作LNG超低溫閥門的主要材料。

此外，三氟氯乙烯的聚合物PCΤFE也是一種常用的超低溫材料，它屬于一種熱塑性樹脂，具有較好的硬度、耐磨且在超低溫時候不易冷脆、穩定性高、可靠性好的特點。它的耐低溫條件可以達到接近絕對零度，在滲透率上具有最低的滲透率，可以說機會不滲透任何氣體。膨脹石墨也是一種耐低溫、抗腐蝕且密封性較好的一種材料，在超低溫度條件下其具有較小的熱膨率、滲透率以及較好的彈性，因此在設計超低溫閥門時候其常常作為填料，因為其以增強閥門的氣密性。

3 討論

在如今這個社會生活中，人們的生活基本上離不開天然氣特別是液化天然氣，這自然而然的就會帶動液化天然氣工廠的發展，因此越來越多的液化天然氣需要運輸到各個接收站和氣化站，因此LNG超低溫閥門的需求量也就越來越大，其安全性、可靠性以及穩定性等因素就顯得尤為重要，所以對LNG超低溫閥門的設計以及耐低溫材料的選取上就需要我們引起足夠的重視。需要保證在超低溫條件下閥門能正常工作，且不能發生泄漏現象以及閥門裝置安全可靠。本文通過分析研究，得出低溫材料選取奧氏不銹鋼作為LNG超低溫閥門的主要材料，采用截止閥設計方式設計閥門，通過等離子堆焊技術對閥門進行焊接。取材上以超低溫耐磨、耐腐蝕、不易冷脆等因素為主，閥門的設計方式也采取在超低溫條件下具有較高的密封性以及安全可靠性為主，焊接技術同業也以密封性、硬度高等特點為主。

參考文獻：

[1]孫奇.LNG超低溫閥門的設計及材料低溫物性的研究[D].大連理工大學,2013.

[2]侯晉峰,葉盛來.LNG超低溫蝶閥的研制[J].通用機械,2011(05):53-55.