一、LNG超低溫深冷處理蝶閥設計改進方案前言 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，天然氣應用技術也得到了迅速發展，在液化天然氣因其高效而被經常使用的運輸領域尤其如此。我國近年來也越發注重對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。做為近年來發展迅速的蝶閥來說，在LNG的運用中也越發重要起來。而國內對LNG用超低溫蝶閥仍然是一空白。為此，研制開發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，公稱壓力150～600lb(1lb=0.454kg)，設計使用溫度-196℃，公稱通徑DN200～DN1000。 
常規三偏心蝶閥結構形式在常溫或高溫工況下,閥門結構形式可以滿足密封泄漏要求,保證正常開啟應用.但是,在深冷工況下易發生蝶閥由于低溫情況閥桿卡滯,下部端蓋積液結冰抱死,導致轉動不暢,且泄漏等級無法滿足工況要求.因此,基于三偏心蝶閥傳統結構形式加以研發設計改進完善,通過閥座密封材質選擇,上部閥桿密封彈簧蓄能圈及下部閥桿防積液轉動副結構改進,在深冷工況下確保蝶閥轉動自如,且各項性能指標符合標準規范要求. 
二、LNG超低溫深冷處理蝶閥設計改進方案結構特點
LNG超低溫蝶閥根據使用工況的要求，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，其系統設備配套的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計。因此，LNG超低溫蝶閥主管線多采用對焊結構設計。對焊結構的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，才能從側向取出進行密封機構的更換;另一種是在閥門頂部設有閥蓋，在維修時，將整個閥蓋連同蝶板、閥桿等機構整體從閥體中取出，實現蝶板密封件的在線更換。顯然采用對焊結構，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，在閥體上設置了檢修孔，既能實現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的壓環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成密封副。由于LNG常壓下的溫度為-162℃，因此密封副的設計采用了金屬與非金屬材料復合結構形式，如圖2所示。
三、LNG超低溫深冷處理蝶閥設計改進方案技術特點
超低溫閥門設計除了遵循一般閥門的設計原則外，還有一些特殊的要求。
首先，應考慮閥門的主要部件應能承受持久的或瞬間的很大的溫度變化而引起的應力;而且在壓力和溫度交變下的各種載荷的作用力，不應出現明顯的彈塑性變形。設計時除了對閥體、閥蓋進行常規的強度計算外，還應采用有限元應力分析和抗振分析等來確保閥門產品的可靠性，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定性等均優于其他材質。其次，在滿足強度、剛度要求的情況下，應力求零件的重量小，以減小熱傳導損失。再次，由于低溫工況下閥體所承受的溫度應力、連接管道的膨脹和收縮附加應力都很大，為了防止低溫時應力集中的脆性破壞，殼體中的尖角、凹槽等應盡量避免。更重要的是閥體、蝶板、加長部分以及內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，否則在低溫下會發生馬氏體相變，引起閥門變形，導致閥門泄漏。
LNG超低溫蝶閥的閥桿填料壓套加長部分長度選定應根據流體介質和是否使用冷箱而設計化的長度，以改進在工況環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定。BS6364帶冷箱的填料壓套加長部分只規定了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為250mm。MSS-SP-134則規定了DN15～DN300帶冷箱和非冷箱的長度，比較而言，非冷箱長度比BS6364規定長，帶冷箱長度要短于BS6364規定。文獻[1]則沒有對帶冷箱和非冷箱進行區分，其長度是最短的，但它針對溫度范圍不同制定了相應的長度。而實際應用中，各個設計院又各有規定。綜合考慮，BS6364其加長長度比較可靠，如用于超低溫關鍵場合可參考BS6364標準進行設計或按設計院特殊長度進行設計。而一般低溫的可參照設計手冊的長度進行設計，這樣對減少閥門制作時材料的投入是非常有效的。當然設計還應該考慮加長部分的厚度能否滿足驅動裝置所產生的操作扭矩、其他應力以及熱損失等，如果是優化設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量優劣的主要指標。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。而內漏主要原因是密封件的剛度以及低溫狀態下的變形所致，所以對內件進行剛度校核、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，并且深冷處理應該使零件溫度達到-196℃后，保溫2～6h，自然處理到室溫，重復循環兩次。
四、LNG超低溫深冷處理蝶閥設計改進方案經驗總結
LNG超低溫蝶閥研制完成后，經過低溫試驗*BS6364標準，小于DN500的閥門達到了零泄漏。但是也發現了不少問題，產品質量的穩定性并不好，對產品的加工工藝的控制上還應加強，尤其是加工精度和深冷處理等的控制更應該嚴格按工藝執行;同樣針對LNG超低溫蝶閥密封試驗問題，需要設計的工裝設備;其次針對對焊閥門袖管的對焊工藝等均需仔細斟酌。 三偏心閥的設計非常適合深冷應用
三偏心閥采用三個偏心設計，因其金屬對金屬扭矩密封、90度旋轉全行程無摩擦的特性，實現真正意義上的雙向零泄漏性能，即按照現行的國際標準，在高壓水測試和低壓空氣測試下均無可見的泄漏。它的免維護內件設計(密封結構中沒有任何軟材料)，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。 
什么是正頂裝和側頂裝設計 三偏心閥(TOV)在LNG行業應用上的設計本著降低逸散性外漏風險和全生命周期維修任務的便利性和安全性，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計，如下圖1。正頂裝式閥的閥板采用上裝結構，需要將閥內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部，也就是閥門無需從管道上切割下來，就可以進行閥內件、閥桿、閥板、密封圈、軸承的維修和更換。這種設計的缺點在于： 閥座通常為 316奧氏體不銹鋼，經滲氮硬化，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。
側頂裝閥門暴露在介質中的螺栓數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。總的來說，這種設計造成密封部件容易損壞，因此必須進行定期維護。
由于閥內件無法抽出，維修人員探身或進入監測孔進行維修，如圖3和4所示。不但直接暴露在安全風險中(因為介質是LNG有毒氣體會造成風險更大，人吸進純LNG，迅速失去知覺，幾分鐘就會造成死亡)，且大口徑閥門的內件更換很難完成(監測孔小且不方便操作)。
試想一下當工作人員維修有害氣液體介質的高壓、大口徑側頂裝式閥門時，人員要佩戴防毒面具、要采取特殊安全措施和持續監測供氧；如果出現意外加壓、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計改進方案結語
LNG超低溫蝶閥由于其低溫工況、以及其介質的危險性，所以其詳細設計和生產精度的控制必須極其用心。此外，由于近年來環境問題、安全措施以及節能的要求越來越高，因此符合低逸散標準技術的發展非常重要。另一方面，國內的質量控制隨機性比較強，產品性能不穩定，通過產品標準化手段和*工藝手段實現穩定的產品質量仍將是我國LNG超低溫蝶閥的一個目標。
本發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,安裝孔在閥座兩端的周線分別為橢圓Ⅰ和橢圓Ⅱ,閥座和密封環均為純金屬結構,在閥座和密封環組成的密封副中,在原本具有的夾角一的基礎上,增加夾角二,使整個閥座和密封環形成共軛密封副.閥座和密封環本體采用低溫性能良好的奧氏體不銹鋼材料,在密封環和閥座的表面均設置一層等離子噴焊硬化保護層,密封環表面采用等離子噴焊硬化層的方法設置一層保護層,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,其優點為耐磨耐腐蝕,從而能應用于各類超低溫高壓惡劣工況. |
