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的球閥因為使用在超低溫的環境下，對閥門的結構、材料選擇、制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,并針對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，把球體推向下游的密封面，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游密封圈采用彈簧預緊式密封結構，泄壓采用在球體上鉆孔的方式。由于上游介質的壓力高，一般閥門的泄壓方向都采用向上游泄壓。彈簧預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。球體上鉆孔可以使閥腔與閥門上游相通，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，即上下游密封圈要同時起到密封的作用。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，在密封副的設計上，考慮到因密封面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，在上游管道正常推力P1大于反向推力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，使閥腔里的氣體泄向上游管道。


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沖擊實驗。奧氏體不銹鋼逐件進行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. 閥桿
畑中特殊閥門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，對奧氏體不銹鋼材料制作的閥桿表面必須進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. 密封面
在低溫狀態下，由于非金屬材料的膨脹系數較大，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并容易導致冷流和應力松弛。低于-70℃的環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，未經表面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涂（HOFV）或者噴焊技術在球體和閥座密封表面噴涂WC 或鎳鉻合金，使表面硬度達到HRC68～72 左右，再進行高精度研磨加工。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; 閥桿防飛出設計，帶活載且可調式的填料密封結構; 可靠的閥座自泄壓功能，滿足上游或下游泄放; 防火防靜電設計; 球體固定或浮動設計; LIP-SEAL閥桿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，保護閥桿不被擦傷; 采用高度可調式的滴水板結構，使保冷空間不受限制圖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，并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，閥門采用長閥桿，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規范，全方面考慮頸部長度和材料的導熱系數、導熱面積及表面散熱系數、散熱面積等因素。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余量后滿足閥體壁厚要求。結果見表5。
此外，畑中特殊閥門借助于應力分析軟件，模擬產品在實際溫度，壓力等具體環境中的參數，并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系。
2.3. 密封結構
奧氏體不銹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。因此在制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）由于低溫引起密封面的變形，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以往的設計及制造經驗，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)可以適用于不同溫度的環境。填料由三維組合體構成，內含特殊潤滑分，應力松弛極小，適用溫度低至-200℃。
2.4. 防靜電結構
基于 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桿與閥體之間、閥桿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，但在裝配后應測量閥桿與閥體、關閉件與閥體之間的電阻值小于設計規范所規定的10Ω。
2.5. 泄壓結構

低溫液化氣體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后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，然后通入規定壓力的氦氣進行試驗。歐美閥門行業多采用英國制定的閥門標準BS6364: 1984 (R1998)《低溫閥門》，適用于閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥，溫度范圍-196～ -50℃，其低溫試驗方法屬于浸漬法。
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制定的關于低溫閥選材，設計，制造，試驗，噴涂，包裝以及運輸等方面的規范，其中規定的允許泄露量較其他規范更加嚴格。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 超低溫閥門由于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。