LNG超低溫深冷球閥密封改進方案

LNG超低溫深冷球閥密封改進方案 近年來，由於能源緊缺液化天然氣(LNG)成為主要能源之一。用於LNG的球閥因為使用在超低溫的環境下，對閥門的結構、材料選擇、製造及檢驗等均提出了特殊的要求。超低溫球閥的選材要求,檢測和結構特點,並針對LNG裝置超低溫的運行工況,提出了超低溫球閥設計選用注意的問題及解決方法,為超低溫球閥的設計、采購、安裝和使用提供參考浮動球式球閥的密封依靠介質的壓力，把球體推向下遊的密封麵，從而達到密封的要求。所以一般浮動球式低溫球閥的密封結構為上遊密封圈采用彈簧預緊式密封結構，泄壓采用在球體上鑽孔的方式。由於上遊介質的壓力高，一般閥門的泄壓方向都采用向上遊泄壓。彈簧預緊式閥座可以使球體在彈簧的作用下，壓向下遊密封圈。這種密封結構的好處是使密封更可靠，同時球閥開啟扭矩也會減小。球體上鑽孔可以使閥腔與閥門上遊相通，避免閥腔因介質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，即上下遊密封圈要同時起到密封的作用。上遊密封圈用單活塞式密封閥座，下遊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，在密封副的設計上，考慮到因密封麵兩個方向作用力的差值而產生的作用力方向的不同，從而使密封副在壓力差的推動下，產生相應方向的活塞運動（單活塞效應）。正常壓力下前閥座單活塞密封示意圖見圖1，在上遊管道正常推力P1大於反向推力P2時（P1>P2），在壓力差的作用下，把密封圈壓向球體，達到密封；而在閥腔壓力升高時，在此壓力的作用下，推開密封圈，使閥腔裏的香蕉视频色板泄向上遊管道。


1. LNG超低溫深冷球閥密封改進方案低溫球閥材料
1.1. 主材
針對不同等級的低溫環境，畑中特殊閥門選用不同的材料（表1）。通常對鐵素體低溫壓力部件進行在設計溫度下的夏比衝擊實驗。奧氏體不鏽鋼逐件進行PMI分析。

編號	零件名稱	材質
		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	閥杆	SUS316 &SUS630	SUS316L	SUS316L
5	密封麵	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

製作低溫球閥的金屬材料在加工成型後需要進行低溫處理:冰冷處理或深冷處理。表2 是畑中特殊閥門常用的深冷處理方法。



ASTM牌號	JIS牌號	熱處理方法	處理溫度℃	深冷時間	深冷次數
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. 閥杆
畑中特殊閥門使用沉澱硬化不鏽鋼或鎳鉻合金作為超低溫球閥閥杆材料，對奧氏體不鏽鋼材料製作的閥杆表麵必須進行鍍硬鉻或氮化處理提高閥杆表麵硬度。表3是表麵處理的常用材料。

 

司太立	化學成分					硬度	結合強度 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. 密封麵
在低溫狀態下，由於非金屬材料的膨脹係數較大，低溫時的收縮量與金屬密封件、閥體等耦合件的收縮量相差很多，導致密封性能大幅下降。同時大多數非金屬材料在超低溫狀態下會發生脆性轉變並容易導致冷流和應力鬆弛。低於-70℃的環境就不再采用非金屬密封副材料。而奧氏體不鏽鋼閥瓣和閥座密封副由於球體與閥座之間在整個啟閉過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，未經表麵硬化處理的球體與閥座之間會擦傷，影響球閥的密封性能，畑中特殊閥門生產的低溫球閥選用超音速火焰噴塗（HOFV）或者噴焊技術在球體和閥座密封表麵噴塗WC 或鎳鉻合金，使表麵硬度達到HRC68～72 左右，再進行高精度研磨加工。表麵硬化常用材料如表4所示。
 

	合金名稱	化學成分	硬度	結合強度 kg/mm2	空隙率 Vol.%
Ni基	metco16C相當	Ni-16Cr-4Si-4B-3Cu-3Mo-2.5Fe-0.75C	HRc60	30以上	0
	metco15E相當	Ni-17Cr-4Fe-4Si-3.5B-0.9C	HRc62	30以上	0
Co基	metco18C相當	Co-27Ni-18Cr-6Mo-3.5Si-3B-2.5Fe-0.2C	HRc60	30以上	0
	司太立SF20相當	Co-13Ni-19Cr-15W-3Si-3B-4Fe-1.3C	HRc60	30以上	0
Ni基+WC	metco31C相當	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方案低溫閥門的結構特點
全通徑或縮徑設計; 閥杆防飛出設計，帶活載且可調式的填料密封結構; 可靠的閥座自泄壓功能，滿足上遊或下遊泄放; 防火防靜電設計; 球體固定或浮動設計; LIP-SEAL閥杆密封圈提供一個初級密封與低泄漏石墨填料配合設計; 硬密封或軟密封可選; *的反向壓力環設計，保證密封性能; 采用加高的閥蓋結構，防止填料受低溫介質的影響，保護閥杆不被擦傷; 采用高度可調式的滴水板結構，使保冷空間不受限製圖1是畑中特殊閥門常用的低溫用途上裝式球閥。在設計上充分考慮了低溫工況下對閥門各個零部件的要求。


2.1. 閥體
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，要保持閥門密封副不發生變形，殼體的剛度很重要。壁厚計算遵循ASME B16.34規格要求，並在此基礎上平均增加2~4mm。此外，為了防止低溫時應力集中的脆性破壞，應盡量避免殼體有尖角、凹槽等。
2.2. 長頸閥蓋
在低溫環境下，閥門采用長閥杆，可以避免填料函溫度降至冰點造成的破壞。畑中特殊閥門依據MSS-SP-134規範，全方麵考慮頸部長度和材料的導熱係數、導熱麵積及表麵散熱係數、散熱麵積等因素。長頸部強度計算通過常用閥體壁厚驗算方法確定，同時在增加一定附加餘量後滿足閥體壁厚要求。結果見表5。
此外，畑中特殊閥門借助於應力分析軟件，模擬產品在實際溫度，壓力等具體環境中的參數，並根據分析數據對長頸閥蓋進行修正。圖2是長頸閥蓋的應力分析實例；圖3是閥內結構對溫度場的影響關係。
2.3. 密封結構
奧氏體不鏽鋼在低溫時會發生部分相變，從而產生相變應力變形，同時溫度的變化也會產生溫變應力變形。因此在製造過程中需對各零部件進行低溫深冷處理，以降低溫度對超低溫閥門密封性能的影響。
1）由於低溫引起密封麵的變形，可能會發生常溫下密封良好的閥座在低溫狀態下發生泄漏，為此在計算密封預緊力時，在滿足許用比壓的基礎上，應適當增加閥座預緊力，根據HSV以往的設計及製造經驗，建議增加30%左右。
2）由於填料通常是非金屬材料，其線膨脹係數比金屬填料函和閥杆大得多，因此在常溫下裝配的填料，降到一定溫度後，其收縮量大於填料孔和閥杆的收縮量，會造成預緊壓力減小引發泄漏。畑中特殊閥門采用組合式填料(表6)可以適用於不同溫度的環境。填料由三維組合體構成，內含特殊潤滑分，應力鬆弛極小，適用溫度低至-200℃。
2.4. 防靜電結構
基於 LNG 介質的易燃易爆特性，在設計LNG低溫閥門時，必須考慮防靜電措施。尤其對非金屬高分子材料閥座，有集聚靜電的危險，靜電能引起火花造成燃燒和爆炸。在設計時需考慮在閥杆與閥體之間、閥杆與關閉件之間設置導通裝置，引出靜電。對金屬密封的超低溫閥門，可不設置導通裝置，但在裝配後應測量閥杆與閥體、關閉件與閥體之間的電阻值小於設計規範所規定的10Ω。
2.5. 泄壓結構

低溫液化香蕉视频色板介質在溫度升高的情況下會氣化膨脹，如閥門內存在密閉的空間，在積液氣化時會造成閥門內壓提高數倍造成泄漏，嚴重時發生閥體開裂造成事故。球閥在全閉和全開時都會形成密閉空間，因此在設計時要考慮當中腔壓力升高時，閥門能自動將高壓介質排放出去。畑中特殊閥門通常采用內部泄放方式。

第1：通過泄壓孔將閥門中腔與管路進口端連通，使中腔壓力始終與管路進口端平衡（圖6）；

第二：采用雙阻斷雙排放結構閥座（圖7），當中腔壓力達到設定的安全泄放壓力時，中腔介質泄放至進口管路內。



3. LNG超低溫深冷球閥密封改進方案低溫閥門的測試
3.1常用低溫試驗方法
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)是將閥門直接放到裝有液氮的保冷箱中冷卻，當閥門溫度驟冷至工作溫度後再用氦氣進行密封性能試驗。保冷法(即內部冷卻法)是將閥門安裝在保冷箱中，通入低溫介質進入閥門內部降溫，當溫度降到規定值時，將低溫介質放掉，然後通入規定壓力的氦氣進行試驗。歐美閥門行業多采用英國製定的閥門標準BS6364: 1984 (R1998)《低溫閥門》，適用於閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥，溫度範圍-196～ -50℃，其低溫試驗方法屬於浸漬法。
3.2日本T.T.O低溫閥門試驗
畑中特殊閥門采用日本T.T.O低溫閥指針做為低溫閥的檢測標準。指針是由日本三大燃氣公司根據通用法規製定的關於低溫閥選材，設計，製造，試驗，噴塗，包裝以及運輸等方麵的規範，其中規定的允許泄露量較其他規範更加嚴格。低溫閥試驗裝置(圖8)使用保冷法，閥座密封試驗壓力及持續時間見表7，低溫試驗允許泄漏率見，泄漏量檢測方法在圖中顯示為水槽中測量容器。



LNG超低溫深冷球閥密封改進方案結束語
LNG 超低溫閥門由於其使用介質分子量小，粘度低，浸透性強，容易泄漏，且其具有易燃易爆的特性，因此在設計超低溫閥門時，必須考慮以下幾點：1）根據LNG 介質特性和-163℃工作溫度選用合適的相容材料；2）采用柔性密封結構；3）采用合理的防火、防爆結構和防超壓結構；4）金屬零部件在加工過程中進行深冷工藝處理，；5）進行低溫試驗。