一、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計改進方案前言 液化天然氣(LNG)是一種清潔、高效的能源。在環(huán)境問題日益顯著的背景下，天然氣作為清潔能源越來越受到青睞。由于這一趨勢，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)常使用的運輸領(lǐng)域尤其如此。我國近年來也越發(fā)注重對LNG的引進，在沿海布置了大量的LNG接收站，而LNG從生產(chǎn)到消費的整個流程中，需要用到大量的閥門，該類閥門屬于超低溫閥門之一。做為近年來發(fā)展迅速的蝶閥來說，在LNG的運用中也越發(fā)重要起來。而國內(nèi)對LNG用超低溫蝶閥仍然是一空白。為此，研制開發(fā)LNG用超低溫蝶閥勢在必行。該系列閥門主要針對LNG工況介質(zhì)，公稱壓力150～600lb(1lb=0.454kg)，設(shè)計使用溫度-196℃，公稱通徑DN200～DN1000。 
常規(guī)三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)形式在常溫或高溫工況下,閥門結(jié)構(gòu)形式可以滿足密封泄漏要求,保證正常開啟應(yīng)用.但是,在深冷工況下易發(fā)生蝶閥由于低溫情況閥桿卡滯,下部端蓋積液結(jié)冰抱死,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動不暢,且泄漏等級無法滿足工況要求.因此,基于三偏心蝶閥傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式加以研發(fā)設(shè)計改進完善,通過閥座密封材質(zhì)選擇,上部閥桿密封彈簧蓄能圈及下部閥桿防積液轉(zhuǎn)動副結(jié)構(gòu)改進,在深冷工況下確保蝶閥轉(zhuǎn)動自如,且各項性能指標符合標準規(guī)范要求. 
二、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計改進方案結(jié)構(gòu)特點
LNG超低溫蝶閥根據(jù)使用工況的要求，有法蘭、凸耳、對夾及對焊等連接方式。但由于LNG的著火性和爆炸性，其系統(tǒng)設(shè)備配套的LNG低溫閥門的安全性、可靠性比普通低溫閥門的要求更高，并且要求具有耐火設(shè)計。因此，LNG超低溫蝶閥主管線多采用對焊結(jié)構(gòu)設(shè)計。對焊結(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部分等零部件組成。
1.閥體
由于蝶閥的密封副均位于流體之中，長時間的運行必然導(dǎo)致密封圈的磨損，隨之而來的是閥門密封性能下降，因此對焊連接蝶閥的維修是一個必須解決的問題。傳統(tǒng)的蝶閥維修有兩種方法，一種是直接將整個閥體從管線上卸下，才能從側(cè)向取出進行密封機構(gòu)的更換;另一種是在閥門頂部設(shè)有閥蓋，在維修時，將整個閥蓋連同蝶板、閥桿等機構(gòu)整體從閥體中取出，實現(xiàn)蝶板密封件的在線更換。顯然采用對焊結(jié)構(gòu)，前一種閥門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，在閥體上設(shè)置了檢修孔，既能實現(xiàn)不用將整個閥體從流體管線中拆卸下來，也不需將閥桿和閥瓣有連接的部件都拆卸下來，即可更換閥體上的閥座和閥瓣的密封件，使閥門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。
三、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計改進方案技術(shù)特點
超低溫閥門設(shè)計除了遵循一般閥門的設(shè)計原則外，還有一些特殊的要求。
首先，應(yīng)考慮閥門的主要部件應(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)計時除了對閥體、閥蓋進行常規(guī)的強度計算外，還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗振分析等來確保閥門產(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、強度、沖擊韌度、相對伸長率及組織穩(wěn)定性等均優(yōu)于其他材質(zhì)。其次，在滿足強度、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、加長部分以及內(nèi)件等零件在精加工前必須進行深冷處理，以消除相變的影響，否則在低溫下會發(fā)生馬氏體相變，引起閥門變形，導(dǎo)致閥門泄漏。
LNG超低溫蝶閥的閥桿填料壓套加長部分長度選定應(yīng)根據(jù)流體介質(zhì)和是否使用冷箱而設(shè)計化的長度，以改進在工況環(huán)境中的低溫閥門性能。在標準BS6364、MSSSP-134和文獻[1]均對閥桿填料壓套加長部分進行了規(guī)定。BS6364帶冷箱的填料壓套加長部分只規(guī)定了DN100～DN500的長度，其長度最長;除冷箱用閥門外，其他用途的閥門其填料壓套加長部分最小長度應(yīng)為250mm。MSS-SP-134則規(guī)定了DN15～DN300帶冷箱和非冷箱的長度，比較而言，非冷箱長度比BS6364規(guī)定長，帶冷箱長度要短于BS6364規(guī)定。文獻[1]則沒有對帶冷箱和非冷箱進行區(qū)分，其長度是最短的，但它針對溫度范圍不同制定了相應(yīng)的長度。而實際應(yīng)用中，各個設(shè)計院又各有規(guī)定。綜合考慮，BS6364其加長長度比較可靠，如用于超低溫關(guān)鍵場合可參考BS6364標準進行設(shè)計或按設(shè)計院特殊長度進行設(shè)計。而一般低溫的可參照設(shè)計手冊的長度進行設(shè)計，這樣對減少閥門制作時材料的投入是非常有效的。當(dāng)然設(shè)計還應(yīng)該考慮加長部分的厚度能否滿足驅(qū)動裝置所產(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)計則只能通過試驗或有限元熱分析來確定其長度。
閥門的密封性能是其質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標。首先是外漏，由于該閥門采用對焊連接方式，無疑減少了泄漏點，在填料密封部位我們對閥桿與填料函的精度都進行嚴格控制，并選用了德國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標準。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，所以對內(nèi)件進行剛度校核、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行，并且深冷處理應(yīng)該使零件溫度達到-196℃后，保溫2～6h，自然處理到室溫，重復(fù)循環(huán)兩次。
四、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計改進方案經(jīng)驗總結(jié)
LNG超低溫蝶閥研制完成后，經(jīng)過低溫試驗*BS6364標準，小于DN500的閥門達到了零泄漏。但是也發(fā)現(xiàn)了不少問題，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性并不好，對產(chǎn)品的加工工藝的控制上還應(yīng)加強，尤其是加工精度和深冷處理等的控制更應(yīng)該嚴格按工藝執(zhí)行;同樣針對LNG超低溫蝶閥密封試驗問題，需要設(shè)計的工裝設(shè)備;其次針對對焊閥門袖管的對焊工藝等均需仔細斟酌。 三偏心閥的設(shè)計非常適合深冷應(yīng)用
三偏心閥采用三個偏心設(shè)計，因其金屬對金屬扭矩密封、90度旋轉(zhuǎn)全行程無摩擦的特性，實現(xiàn)真正意義上的雙向零泄漏性能，即按照現(xiàn)行的國際標準，在高壓水測試和低壓空氣測試下均無可見的泄漏。它的免維護內(nèi)件設(shè)計(密封結(jié)構(gòu)中沒有任何軟材料)，使其擁有超長壽命并幾乎不需要維護。 低溫三偏心閥是一種帶有延長閥蓋和彈性實心金屬密封圈的閥門，使用的密封圈是由高耐腐蝕材料Nitronic 50超級奧氏體不銹鋼制成，它在低溫下的強度比我們常規(guī)的奧氏體不銹鋼316要高出2~4倍，能夠在極低溫度下保證機械特性。 
什么是正頂裝和側(cè)頂裝設(shè)計 三偏心閥(TOV)在LNG行業(yè)應(yīng)用上的設(shè)計本著降低逸散性外漏風(fēng)險和全生命周期維修任務(wù)的便利性和安全性，從最初的雙法蘭，到對焊連接，再升級到正頂裝式對焊閥體設(shè)計，如下圖1。正頂裝式閥的閥板采用上裝結(jié)構(gòu)，需要將閥內(nèi)件在外部進行維護以及易損件的更換時，整個閥板閥桿以及閥板上的密封圈都可以從閥體上部吊裝出閥體內(nèi)部，也就是閥門無需從管道上切割下來，就可以進行閥內(nèi)件、閥桿、閥板、密封圈、軸承的維修和更換。這種設(shè)計的缺點在于： 閥座通常為 316奧氏體不銹鋼，經(jīng)滲氮硬化，滲氮層的厚度通常只有20微米。而正頂裝閥門常規(guī)采用耐磨、較高彈性的Stellite堆焊層作為閥座，厚度達到2.5毫米，能夠有效消除機械故障、并長時間地維持閥門的低泄漏，達到全生命周期免維護。側(cè)頂裝式多采用多層石墨層壓密封圈，石墨材料在低溫下會變得易碎，而且，石墨在低溫下的收縮系數(shù)比不銹鋼小2~3倍，意味著低溫工況下，石墨會被擠出不銹鋼密封層。
側(cè)頂裝閥門暴露在介質(zhì)中的螺栓數(shù)量比整體閥座型增加了一倍多，這就需要更加特殊地采取有效防止螺栓松動的措施?？偟膩碚f，這種設(shè)計造成密封部件容易損壞，因此必須進行定期維護。
由于閥內(nèi)件無法抽出，維修人員探身或進入監(jiān)測孔進行維修，如圖3和4所示。不但直接暴露在安全風(fēng)險中(因為介質(zhì)是LNG有毒氣體會造成風(fēng)險更大，人吸進純LNG，迅速失去知覺，幾分鐘就會造成死亡)，且大口徑閥門的內(nèi)件更換很難完成(監(jiān)測孔小且不方便操作)。
試想一下當(dāng)工作人員維修有害氣液體介質(zhì)的高壓、大口徑側(cè)頂裝式閥門時，人員要佩戴防毒面具、要采取特殊安全措施和持續(xù)監(jiān)測供氧；如果出現(xiàn)意外加壓、閥門意外動作以及重型部件的拆除情況，這個工作難度不言而喻。 
五、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計改進方案結(jié)語
LNG超低溫蝶閥由于其低溫工況、以及其介質(zhì)的危險性，所以其詳細設(shè)計和生產(chǎn)精度的控制必須極其用心。此外，由于近年來環(huán)境問題、安全措施以及節(jié)能的要求越來越高，因此符合低逸散標準技術(shù)的發(fā)展非常重要。另一方面，國內(nèi)的質(zhì)量控制隨機性比較強，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，通過產(chǎn)品標準化手段和*工藝手段實現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量仍將是我國LNG超低溫蝶閥的一個目標。
本發(fā)明公開了一種強制密封超低溫蝶閥,包括閥體,閥座,蝶板,密封環(huán),安裝孔在閥座兩端的周線分別為橢圓Ⅰ和橢圓Ⅱ,閥座和密封環(huán)均為純金屬結(jié)構(gòu),在閥座和密封環(huán)組成的密封副中,在原本具有的夾角一的基礎(chǔ)上,增加夾角二,使整個閥座和密封環(huán)形成共軛密封副.閥座和密封環(huán)本體采用低溫性能良好的奧氏體不銹鋼材料,在密封環(huán)和閥座的表面均設(shè)置一層等離子噴焊硬化保護層,密封環(huán)表面采用等離子噴焊硬化層的方法設(shè)置一層保護層,以增加其耐磨耐腐蝕性能;在工藝上,采用機械加工+自動化研磨工藝提高密封面光潔度,其優(yōu)點為耐磨耐腐蝕,從而能應(yīng)用于各類超低溫高壓惡劣工況. |
