液化天然氣用超低溫閥門的設(shè)計(jì)與研究

閤享平　鄭益豐　陳長奔

摘 要：本文主要是探討分析了液化天然氣用超低溫閥門的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了超低溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工控特性，制造材料以及制造工藝等，并在此基礎(chǔ)上闡述了超低溫閥門的關(guān)閉力矩、密封結(jié)構(gòu)以及材料性能等，希望能夠?yàn)槌蜏亻y門設(shè)計(jì)人員提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：液化天然氣；深冷處理；超低溫閥門；設(shè)計(jì)與研究

中圖分類號(hào)：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 閥門材料選擇

1.1 奧式體不銹鋼

超低溫閥門材料需要具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性和韌性，才能確保其在低溫或超低溫工況中不會(huì)由于相變而出現(xiàn)變形情況，對(duì)閥門的密封性造成影響。一般來說，體心立方結(jié)構(gòu)具有低溫脆性，面心立方結(jié)構(gòu)的低溫韌塑性較好，適用面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體不銹鋼作為閥門的閥瓣，閥座和閥體材料，由于以上材料不具備低溫冷脆臨界溫度，因此能夠在低溫條件下表現(xiàn)出較高的韌塑性。在26℃～-265℃，奧式體不銹鋼材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)隨著溫度的降低而升高。

1.2 PCTFE

該種材料屬于三氟氯乙烯聚合物，材料性質(zhì)為熱塑性樹脂。由于PCTFE的分子結(jié)構(gòu)當(dāng)中引入C-CL鍵，因此與四氟乙烯等材料相比在化學(xué)惰性、耐熱性、剛性以及耐蠕變性方面都比較低。在液化天然氣和液氧當(dāng)中，PCTFE不會(huì)出現(xiàn)蠕變和脆裂。在大部分非金屬材料當(dāng)中，其水汽滲透率較低，不會(huì)滲透到氣體當(dāng)中，沒有助燃性，屬于密封聚合物。由于該種物質(zhì)的耐低溫性較為顯著，在特定條件下能夠達(dá)到-270℃。

2 深冷處理

深冷處理是利用冷媒作為冷卻介質(zhì)，對(duì)材料進(jìn)行程序化深冷處理（-196℃）和低溫回火，從而達(dá)到改善和強(qiáng)化金屬材料性能的目的。深冷處理是近年來國際上最新的一種改善和強(qiáng)化金屬材料性能的新工藝技術(shù)，是目前最有效、最經(jīng)濟(jì)的一種技術(shù)手段。深冷處理過程中金屬中大量殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，特別是過飽和的亞穩(wěn)定馬氏體在處理過程中會(huì)降低飽和度，析出彌散，并與基體保持共格關(guān)系的超微細(xì)碳化物，可以使馬氏體晶格畸變減少，微觀應(yīng)力降低，而細(xì)小彌散的碳化物在材料塑性變形時(shí)可以阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 長頸閥蓋

液化天然氣超低溫閥門使用長頸閥蓋主要是為了避免外界向裝置內(nèi)傳遞熱量；能夠使填料部位遠(yuǎn)離閥體中的液化天然氣，全面確保填料溫度在0℃以上，避免由于填料溫度較低而導(dǎo)致閥桿和閥蓋零部件凍結(jié)，確保填料工作穩(wěn)定性。

3.2 滴水板

該部件能夠有效避免閥體溫度向閥桿上端以及填料傳遞，全面確保閥桿上部零件和填料部位的溫度在0℃以上。圖1和圖2表示無滴水板和有滴水板的閥體溫度場(chǎng)模擬圖，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析能夠看出，有滴水板的閥門蓋上端溫度顯著高于無滴水板。在將閥蓋上部進(jìn)行延伸處理之后能夠有效降低溫度，一般來說，將閥門暴露在空氣當(dāng)中，當(dāng)遇到低溫時(shí)會(huì)使其液化為水珠。滴水板的直徑大于中法蘭直徑，這樣能夠避免低溫液化水滴落在中法蘭螺栓上，防止螺栓出現(xiàn)銹蝕。

3.3 泄壓部件

液化天然氣在氣化之后體積將會(huì)迅速擴(kuò)大，存在中腔異常升壓?jiǎn)栴}。在關(guān)閉閥門之后殘留在閥體腔內(nèi)的液化天然氣會(huì)從周邊環(huán)境當(dāng)中吸收熱量并迅速氣化，閥體內(nèi)腔壓力會(huì)迅速升高，當(dāng)閥體內(nèi)腔的壓力超過閥體材料的使用極限時(shí)，閥門將會(huì)爆炸。因此超低溫閥門需要提供泄壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，按照工藝管路的實(shí)際要求向閥前或閥后進(jìn)行泄壓，避免腔體出現(xiàn)異常升壓情況。

3.4 防靜電結(jié)構(gòu)

由于液化天然氣介質(zhì)存在易燃易爆特征，因此在設(shè)計(jì)液化天然氣超低溫閥門時(shí)需要全面分析防靜電措施。特別是對(duì)于PCTEF材料閥座來說存在聚集靜電隱患，靜電摩擦產(chǎn)生火花能使液化天然氣爆炸。在閥體與閥桿，關(guān)閉件與閥桿之間需要設(shè)置導(dǎo)通裝置，這樣能夠?qū)㈧o電引出，避免發(fā)生安全事故。對(duì)于金屬密封超低溫閥門來說可以不設(shè)置導(dǎo)通裝置，但是關(guān)閉件，閥桿和閥體的電阻值需要滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

4 閥門的密封

4.1 閥桿密封

閥桿泄漏主要分為外泄露和內(nèi)泄露，液化天然氣存在易燃易爆性，因此外泄露具有較大的危險(xiǎn)性。閥桿密封泄露在整個(gè)外泄露當(dāng)中占主要原因，超低溫閥門的閥桿密封，通常都是使用彈性蓄能密封圈、低溫型密封圈和填料進(jìn)行。為了全面確保低溫密封性能，閥桿的密封結(jié)構(gòu)采用多種密封件相結(jié)合的組合型密封結(jié)構(gòu)，還需要使用附加彈性復(fù)合裝置，該裝置如蝶形彈簧墊片，在低溫條件下能夠使填料的預(yù)緊力得到補(bǔ)償，確保填料密封效果。

4.2 中法蘭密封

在低溫條件下具有良好的回彈性和機(jī)械強(qiáng)度，線膨脹系數(shù)小。超低溫閥門的中法蘭密封墊通常都是使用柔性石墨纏繞墊片和彈性蓄能密封圈的組合型密封結(jié)構(gòu)。在低溫條件下墊片密封比壓會(huì)相對(duì)減小，這樣可能會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)泄漏。所以需要使用碟形彈簧墊片對(duì)中法蘭緊固螺栓連接處進(jìn)行補(bǔ)償處理。

結(jié)語

綜上所述，隨著液化天然氣接收站、工廠氣化站以及運(yùn)輸船的快速發(fā)展，也逐漸擴(kuò)大了超低溫閥門的應(yīng)用范圍。因此在設(shè)計(jì)和制造液化天然氣超低溫閥門時(shí)，需要全面分析、試驗(yàn)閥門結(jié)構(gòu)以及材料對(duì)產(chǎn)品的影響作用，全面研究相關(guān)課題，并且使用試驗(yàn)方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論，這樣才能夠確保液化天然氣超低溫閥門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的實(shí)效性，從根本上提升閥門的可靠性和安全性。

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