上海申弘閥門(mén)有限公司
介紹了低溫閥門(mén)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)。LNG氣站系列低溫閥門(mén)主體選用鍛件固溶處理，并成功解決了大口徑閥門(mén)低溫材料收縮等問(wèn)題，和填料高壓密封差等問(wèn)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(duì)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(dá)到密封。它還有自潤(rùn)滑性，用作閥門(mén)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(chǎng)所?？筛鷵?jù)用戶(hù)要求設(shè)計(jì)定產(chǎn)，咨詢(xún)
實(shí)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(mén)低溫閥門(mén)：
適用于介質(zhì)溫度-150℃以下的閥門(mén)稱(chēng)之為超低溫閥門(mén)
液化天然氣閥門(mén)的材料非常重要，材質(zhì)不合格，會(huì)造成殼體及密封面的外漏或內(nèi)漏；零部件的綜合機(jī)械性能、強(qiáng)度和鋼度滿(mǎn)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(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、研制液化天然氣閥門(mén)的過(guò)程中，材質(zhì)是首要關(guān)鍵的問(wèn)題。
超低溫閥門(mén)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(wàn)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(shí)要?dú)饣?，氣化時(shí)，體積膨脹數(shù)百倍。
一、前言
近年來(lái)，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(duì)閥門(mén)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、低溫球閥材料
1.主材
針對(duì)不同等級(jí)的低溫環(huán)境，畑中特殊閥門(mén)選用不同的材料（見(jiàn)表1）。通常對(duì)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。
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(mén)常用的深冷處理方法。
2.閥桿
畑中特殊閥門(mén)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(duì)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。
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(shí)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(shí)大多數(shù)非金屬材料在超低溫狀態(tài)下會(huì)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(gè)啟閉過(guò)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(huì)擦傷，影響球閥的密封性能，畑中特殊閥門(mén)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。
三、低溫閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
畑中特殊閥門(mén)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(duì)閥門(mén)各個(gè)零部件的要求。
圖1 畑中特殊閥門(mén)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(mén)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(shí)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(zhǎng)頸閥蓋
在低溫環(huán)境下，閥門(mén)采用長(zhǎng)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(mén)依據(jù)MSS-SP-134規(guī)范，全方面考慮頸部長(zhǎng)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(zhǎng)頸部強(qiáng)度計(jì)算通過(guò)常用閥體壁厚驗(yàn)算方法確定，同時(shí)在增加一定附加余量后滿(mǎn)足閥體小壁厚要求。結(jié)果見(jiàn)表5。
此外，畑中特殊閥門(mén)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(duì)長(zhǎng)頸閥蓋進(jìn)行修正，閥內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響關(guān)系如圖2所示。
圖2 結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響
3.密封結(jié)構(gòu)
奧氏體不銹鋼在低溫時(shí)會(huì)發(fā)生部分相變，從而產(chǎn)生相變應(yīng)力變形，同時(shí)溫度的變化也會(huì)產(chǎn)生溫變應(yīng)力變形。因此在制造過(guò)程中需對(duì)各零部件進(jìn)行低溫深冷處理，以降低溫度對(duì)超低溫閥門(mén)密封性能的影響。
1）由于低溫引起密封面的變形，可能會(huì)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(shí)，在滿(mǎn)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(xiàn)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(huì)造成預(yù)緊壓力減小引發(fā)泄漏。畑中特殊閥門(mén)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(rùn)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(xiàn)膨脹系數(shù)不同，密封比壓會(huì)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(shí)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(jì)LNG低溫閥門(mén)時(shí)，必須考慮防靜電措施，如圖4所示。尤其對(duì)非金屬高分子材料閥座，有集聚靜電的危險(xiǎn)，靜電能引起火花造成燃燒和爆炸。在設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)金屬密封的超低溫閥門(mén)，可不設(shè)置導(dǎo)通裝置，但在裝配后應(yīng)測(cè)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)
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(huì)氣化膨脹，如閥門(mén)內(nèi)存在密閉的空間，在積液氣化時(shí)會(huì)造成閥門(mén)內(nèi)壓提高數(shù)倍造成泄漏，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生閥體開(kāi)裂造成事故。球閥在全閉和全開(kāi)時(shí)都會(huì)形成密閉空間，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮當(dāng)中腔壓力升高時(shí)，閥門(mén)能自動(dòng)將高壓介質(zhì)排放出去。畑中特殊閥門(mén)通常采用內(nèi)部泄放方式。
1）通過(guò)泄壓孔將閥門(mén)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(shí)，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 6 雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座
四、低溫閥門(mén)的測(cè)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(mén)直接放到裝有液氮的保冷箱中冷卻，當(dāng)閥門(mén)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(mén)安裝在保冷箱中，通入低溫介質(zhì)進(jìn)入閥門(mén)內(nèi)部降溫，當(dāng)溫度降到規(guī)定值時(shí)，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(mén)行業(yè)多采用英國(guó)制定的閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)BS6364：1984 （R1998）《低溫閥門(mén)》，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.日本T.T.O低溫閥門(mén)試驗(yàn)
畑中特殊閥門(mén)采用日本T.T.O低溫閥指針做為低溫閥的檢測(cè)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(shí)間見(jiàn)表6，低溫試驗(yàn)允許泄漏率見(jiàn)，泄漏量檢測(cè)方法在圖中顯示為水槽中測(cè)量容器。
圖 7 低溫試驗(yàn)裝置
低溫實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容如表8所示。
五、結(jié)語(yǔ)
LNG 超低溫閥門(mén)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(mén)時(shí)，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(guò)程中進(jìn)行深冷工藝處理。
5）進(jìn)行低溫試驗(yàn)。與本文相關(guān)的論文有：五陽(yáng)煤礦應(yīng)用閥門(mén)案例
客服1號(hào)