液化天然氣船用超低溫蝶閥的設計研究

　　介紹了液化天然氣船用超低溫蝶閥的設計，材料選用，制造工藝和產(chǎn)品試驗特殊要求。

1、概述

　　隨著(zhù)全球液化天然氣( LNG) 生產(chǎn)和貿易的日益增長(cháng)，LNG 船舶作為海上運輸的主要手段和工具，成為各國船舶建造的熱點(diǎn)。目前，我國LNG 船用超低溫閥門(mén)基本上從國外進(jìn)口。自行設計和制造具有我國自主知識產(chǎn)權的LNG 船用超低溫閥門(mén)顯得極其重要。

2、類(lèi)型

　　不同種類(lèi)的閥門(mén)，其在船舶管系與安裝中所占有的空間、質(zhì)量和性能有著(zhù)明顯的差異( 圖1) 。在低溫系統中，如選用球閥、閘閥或旋塞閥作為開(kāi)啟和關(guān)閉件時(shí)，因為該類(lèi)閥門(mén)關(guān)閉狀態(tài)時(shí)存在著(zhù)封閉的中腔( 球閥在全開(kāi)位置同樣形成密閉空間) 并充滿(mǎn)介質(zhì)，隨著(zhù)環(huán)境溫度的逐漸升高，在閥門(mén)中腔內的低溫液化天然氣將發(fā)生氣化現象，增大體積約600 倍，導致閥腔內壓力迅速增高，很有可能超過(guò)閥體所容許的壓力。如果閥腔內壓力無(wú)法釋放，將會(huì )產(chǎn)生極為嚴重的安全事故。而超低溫蝶閥在結構上避免了閥中腔介質(zhì)異常升壓現象，無(wú)需采用內部和外部泄放方法，或外加泄放集氣裝置解決閥中腔介質(zhì)異常升壓的問(wèn)題，保證了環(huán)境和設備的安全。

a) 截止閥( b) 閘閥( c) 球閥

圖1 相同規格不同類(lèi)型的閥門(mén)

3、采用標準

　　LNG 船用超低溫蝶閥的設計和制造工藝采用IGCCODE 國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則( 2002 年7 月1 日生效) 、BS 6364 低溫閥門(mén)、MSSSP -134 對低溫閥門(mén)及其閥體閥蓋加長(cháng)體的要求及JB /T 7749 低溫閥門(mén)技術(shù)條件等標準和規范。

4、材料選用

　　通常LNG 船用超低溫蝶閥的工作溫度約在- 163℃以下，在此溫度下，閥門(mén)的金屬材料會(huì )產(chǎn)生低溫冷脆現象，即材料的硬度和脆性提高，塑料和韌性降低，從而影響閥門(mén)的性能和系統使用安全。為了防止閥門(mén)材料在低溫情況下的低應力脆斷，通常在設計超低溫閥門(mén)時(shí)，閥體、閥板、密封座、閥桿、填料和緊固件等，其承壓零部件大多選用具有面心立方晶格的奧氏體不銹鋼。銅及銅合金和鋁及鋁合金其力學(xué)性能較差，難以在超低溫下滿(mǎn)足其性能要求，故在超低溫閥門(mén)很少應用。低碳奧氏體不銹鋼在低溫時(shí)變形小，而且沒(méi)有明顯的低溫冷脆臨界溫度，可作為超低溫閥門(mén)首選材料。

　　低碳奧氏體不銹鋼的耐低溫性、耐壓性、耐腐蝕、耐磨損、焊接性、強度、沖擊韌性、相對伸長(cháng)率和組織穩定性等綜合性能均優(yōu)于其他材料。常用的低溫材料牌號有304、304L、316 和316L，其中316L 的穩定性最好，用于閥桿材料需作沉淀硬化處理，以提高材料強度和表面硬度。所有零件材料必須進(jìn)行低溫處理，盡量降低閥門(mén)在超低溫條件下尺寸發(fā)生變化，有效避免材料在超低溫條件下形變，且以二次低溫處理為佳，低溫處理的時(shí)間在2 ～ 6h 為宜。一般低溫深冷處理的溫度要低于閥門(mén)選用零件的材料相變溫度，并應低于閥門(mén)在低溫工作中的實(shí)際工作溫度，以減少在使用過(guò)程中超低溫對材料的變形而影響閥門(mén)的性能。所選零件材料還需進(jìn)行無(wú)損探傷( PT、UT、RT) ，保證閥門(mén)材料不存在缺陷，奧氏體鋼固溶處理，材料還必須進(jìn)行- 196℃低溫韌性沖擊試驗，最小平均沖擊值E = 41J。

5、結構設計

　　船用超低溫蝶閥( 圖2) 的密封副采用三偏心結構，其蝶板為斜切的橢圓形( 圖3) ，連接形式分為法蘭連接和焊接連接。

圖2 三偏心蝶閥

　　5.1、密封副

　　蝶板與金屬閥座( U 形圈) 靠機械力實(shí)現密封( 圖4) ，而不是依附管道介質(zhì)壓力，因此無(wú)論壓力波動(dòng)大小，均能達到雙向密封。通過(guò)采用CAD -CAM 系統設計、檢驗及模擬優(yōu)化，保證其可靠性和安全性。U 形圈具有補償功能，即使在溫度反復變化的情況下，仍然保持可靠密封，閥體的微量收縮也不會(huì )產(chǎn)生U 形圈夾持現象。U 形圈選用INCOLOY制作，彈性好，強度高，表面鍍鉻，硬度> 60HRC。

圖3 橢圓形蝶板

圖4 密封副結構

　　在蝶閥關(guān)閉狀態(tài)下，安裝在閥體內槽中的U 形圈可以浮動(dòng)的隨著(zhù)橢圓形蝶板變形，橢圓形的蝶板擠入圓形的U 形圈，U 形圈與蝶板密封面圓周緊密接合，包在蝶板外圓周上，產(chǎn)生密封張力，達到密封效果。在蝶閥開(kāi)啟瞬間，U 形圈與蝶板的接合瞬間分離，安裝在閥體內槽中的U 形圈自動(dòng)恢復其原來(lái)形狀，結構上杜絕了傳統金屬密封副之間的磨損，其密封性能完全能滿(mǎn)足標準要求。

　　閥門(mén)使用過(guò)程中，其密封線(xiàn)是固定在某一位置上的。任何密封體( 副) 在使用中總會(huì )有磨損現象產(chǎn)生，從而會(huì )引起閥門(mén)的泄漏，尤其是在惡劣的工況條件下，其使用壽命更短。超低溫蝶閥在密封結構設計上可自動(dòng)更移密封線(xiàn)位置( 圖5) ，可靠保證閥門(mén)的密封性能，從而延長(cháng)產(chǎn)品使用壽命。

　　5.2、閥桿密封

　　超低溫蝶閥的閥桿采用帶雙重填料動(dòng)載填料密封形式( 圖6) 。閥桿密封采用長(cháng)頸設計。長(cháng)頸的長(cháng)度及強度、材料的導熱面積及系數和表面散熱系數及散熱面積，均通過(guò)有限元熱分析確定，保證閥門(mén)閥桿填料函部位的溫度在0℃以上，防止產(chǎn)生因閥桿填料函部分過(guò)冷，使填料、填料壓蓋、螺栓螺母和蝶形彈簧組出現冷凍和結霜的現象。

(a) 蝶閥即將關(guān)閉(b) 蝶閥關(guān)閉位置(c) 蝶閥關(guān)閉調整位置(d) 蝶閥關(guān)閉調整更移密封線(xiàn)(e) 可調整密封線(xiàn)區域(H)

圖5 蝶閥關(guān)閉過(guò)程

圖6 閥桿密封

　　填料壓蓋壓緊結構采用蝶形彈簧組預緊方式，使閥桿填料密封在低溫狀態(tài)下的預緊力可以得到連續補償，同時(shí)可補償溫度波動(dòng)變化時(shí)螺栓變形量產(chǎn)生的變化，保證閥桿填料密封性能長(cháng)期有效。填料采用柔性石墨。柔性石墨對氣體，液體均不滲透，壓縮率大于40%，回彈性大于15%，應力松弛小于5%，以較小的緊固力就能達到密封，柔性石墨還具有較好的自潤滑性，能有效的防止填料與閥桿間的磨損。

　　5.3、緊固件

　　船用超低溫蝶閥中所配用的螺栓和螺母采用奧氏體鋼，并進(jìn)行冷作硬化處理�？紤]到螺栓的螺紋根部容易產(chǎn)生應力集中，螺栓采用全螺紋形狀，同時(shí)在閥門(mén)裝配時(shí)螺紋部位涂二硫化鉬，防止螺紋擰緊時(shí)卡住。

　　5.4、防靜電

　　LNG 是一種具有易燃易爆特性的介質(zhì)。在蝶閥的設計中采用了防集聚靜電的結構，以防止靜電引起火花造成LNG 燃燒甚至爆炸。在閥桿與閥體間設置導通裝置，用以引出靜電，消除隱患，其電阻值小于設計規范規定的10Ω。

6、制造

　　為了防止和避免閥門(mén)材料在低溫和超低溫時(shí)產(chǎn)生應力集中的脆性破壞，零件設計和加工過(guò)程中不應有尖角和凹槽產(chǎn)生，零件采用CNC 加工中心加工，以保證零件加工精度、光潔度和形位公差精度。閥門(mén)裝配前和裝配過(guò)程中，零部件必須經(jīng)過(guò)特殊清潔處理，去除所有可能與LNG 發(fā)生反應的油脂。

7、試驗

　　超低溫閥門(mén)的試驗除了按常溫下通用閥門(mén)試驗標準進(jìn)行各項性能試驗外，還應進(jìn)行閥門(mén)在低溫狀態(tài)下( 特定低溫性能試驗裝置) 的各項性能試驗和操作性能試驗。船用超低溫蝶閥低溫性能試驗包括低溫狀態(tài)下產(chǎn)品壽命試驗。

8、結語(yǔ)

　　超低溫閥門(mén)控制著(zhù)整個(gè)船舶LNG 的儲運系統，其設計、加工與試驗比一般通用閥門(mén)的技術(shù)要求嚴格和苛刻。完善的質(zhì)量保證體系和過(guò)程控制，是保證閥門(mén)產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。