LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案

LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案 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。超低溫球閥的選材要求,檢測(cè)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并針對(duì)LNG裝置超低溫的運(yùn)行工況,提出了超低溫球閥設(shè)計(jì)選用注意的問(wèn)題及解決方法,為超低溫球閥的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、安裝和使用提供參考浮動(dòng)球式球閥的密封依靠介質(zhì)的壓力，把球體推向下游的密封面，從而達(dá)到密封的要求。所以一般浮動(dòng)球式低溫球閥的密封結(jié)構(gòu)為上游密封圈采用彈簧預(yù)緊式密封結(jié)構(gòu)，泄壓采用在球體上鉆孔的方式。由于上游介質(zhì)的壓力高，一般閥門(mén)的泄壓方向都采用向上游泄壓。彈簧預(yù)緊式閥座可以使球體在彈簧的作用下，壓向下游密封圈。這種密封結(jié)構(gòu)的好處是使密封更可靠，同時(shí)球閥開(kāi)啟扭矩也會(huì)減小。球體上鉆孔可以使閥腔與閥門(mén)上游相通，避免閥腔因介質(zhì)氣化膨脹而局部升壓。
固定球式超低溫球閥的密封一般是雙向密封，即上下游密封圈要同時(shí)起到密封的作用。上游密封圈用單活塞式密封閥座，下游密封圈用雙活塞式密封閥座。單活塞閥座的原理為單向活塞式的作用，在密封副的設(shè)計(jì)上，考慮到因密封面兩個(gè)方向作用力的差值而產(chǎn)生的作用力方向的不同，從而使密封副在壓力差的推動(dòng)下，產(chǎn)生相應(yīng)方向的活塞運(yùn)動(dòng)（單活塞效應(yīng)）。正常壓力下前閥座單活塞密封示意圖見(jiàn)圖1，在上游管道正常推力P1大于反向推力P2時(shí)（P1>P2），在壓力差的作用下，把密封圈壓向球體，達(dá)到密封；而在閥腔壓力升高時(shí)，在此壓力的作用下，推開(kāi)密封圈，使閥腔里的氣體泄向上游管道。


1. LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案低溫球閥材料
1.1. 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（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。

編號(hào)	零件名稱	材質(zhì)
		0℃~-46℃	-46℃~-104℃	-104℃~-196℃
1	閥體/ 閥蓋	SCPL1	CF8M	CF3M
2	閥球	SUS316 & SUS630	SUSF316L	SUSF316L
3	閥座	PTFE&PCTFE	PTFE&SUS316L	SUS316L
4	閥桿	SUS316 &SUS630	SUS316L	SUS316L
5	密封面	H.Cr	司太立堆焊	自溶合金
6	墊片	V#6590	V#6590	V#6590
7	填料	Grafoil(例:P#6528)	Grafoil(例:P#6610)	Grafoil(例:P#6616CL)
8	緊固件	ASTM A320-L7, A320-L43	ASTM A193-B8M	ASTM A193-B8M

制作低溫球閥的金屬材料在加工成型后需要進(jìn)行低溫處理: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。



ASTM牌號(hào)	JIS牌號(hào)	熱處理方法	處理溫度℃	深冷時(shí)間	深冷次數(shù)
CF8	SCS13A	固溶+深冷	-196～200	2h	4
CF8M	SCS14A	固溶+深冷	-196～200	24h	6
CF3	SCS19A	固溶+深冷	-196～200	3h	4
CF3M	SCS16A	固溶+深冷	-254～455	24h	6

1.2. 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。

 

司太立	化學(xué)成分					硬度	結(jié)合強(qiáng)度 kg/mm2	空隙率 Vol.%
	Co	Cr	W	C	Fe
No	Bal	30.0	12.0	2.5	3.0Max	HRc54	33	0
No.2	Bal	29.0	8.0	1.35	2.5Max	HRc47	53	0
No.6	Bal	28.0	4.0	1.0	3.0Max	HRc44	74	0
No.4	Bal	30.0	14.0	0.6	3.0Max	HRc44	108	0

 1.3. 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HRC68～72 左右，再進(jìn)行高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。
 

	合金名稱	化學(xué)成分	硬度	結(jié)合強(qiáng)度 kg/mm2	空隙率 Vol.%
Ni基	metco16C相當(dāng)	Ni-16Cr-4Si-4B-3Cu-3Mo-2.5Fe-0.75C	HRc60	30以上	0
	metco15E相當(dāng)	Ni-17Cr-4Fe-4Si-3.5B-0.9C	HRc62	30以上	0
Co基	metco18C相當(dāng)	Co-27Ni-18Cr-6Mo-3.5Si-3B-2.5Fe-0.2C	HRc60	30以上	0
	司太立SF20相當(dāng)	Co-13Ni-19Cr-15W-3Si-3B-4Fe-1.3C	HRc60	30以上	0
Ni基+WC	metco31C相當(dāng)	Ni-11Cr-2.5Fe-2.5Si-2.5B-0.5C-35WC	HRc60-75	30以上	0
碳 化物	12鈷碳化鎢	WC-12Co	Hv1000-1300 (HRc68.9-72.7)	20以上	1以下
	17鈷碳化鎢	WC-17Co	Hv1000-1200 (HRc68.9-71.5)	25以上	1以下
	鎳鉻碳化鎢	WC-27NiCr	Hv1000-1200 (HRc68.9-71.5)	20以上	1以下
	鎳鉻碳化鉻	Cr3C2-25NiCr	Hv800-1000 (HRc64.0-68.9)	-	1以下

LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案低溫閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
全通徑或縮徑設(shè)計(jì); 閥桿防飛出設(shè)計(jì)，帶活載且可調(diào)式的填料密封結(jié)構(gòu); 可靠的閥座自泄壓功能，滿足上游或下游泄放; 防火防靜電設(shè)計(jì); 球體固定或浮動(dòng)設(shè)計(jì); LIP-SEAL閥桿密封圈提供一個(gè)初級(jí)密封與低泄漏石墨填料配合設(shè)計(jì); 硬密封或軟密封可選; *的反向壓力環(huán)設(shè)計(jì)，保證密封性能; 采用加高的閥蓋結(jié)構(gòu)，防止填料受低溫介質(zhì)的影響，保護(hù)閥桿不被擦傷; 采用高度可調(diào)式的滴水板結(jié)構(gòu)，使保冷空間不受限制圖1是畑中特殊閥門(mén)常用的低溫用途上裝式球閥。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。


2.1. 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。
2.2. 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足閥體壁厚要求。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。圖2是長(zhǎng)頸閥蓋的應(yīng)力分析實(shí)例；圖3是閥內(nèi)結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)的影響關(guān)系。
2.3. 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(表6)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℃。
2.4. 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。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。
2.5. 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。

第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（圖6）；

第二：采用雙阻斷雙排放結(jié)構(gòu)閥座（圖7），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)。



3. LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案低溫閥門(mén)的測(cè)試
3.1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。
3.2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)。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)定的允許泄露量較其他規(guī)范更加嚴(yán)格。低溫閥試驗(yàn)裝置(圖8)使用保冷法，閥座密封試驗(yàn)壓力及持續(xù)時(shí)間見(jiàn)表7，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。



LNG超低溫深冷球閥密封改進(jìn)方案結(jié)束語(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)。