用于LNG的低温球阀的特性研究

    一、前言

    近年来，由于能源紧缺，液化天然气（LNG）成为主要能源之一。用于LNG的球阀因为使用在超低温的环境下，对阀门的结构、材料选择、制造及检验等均提出了特殊的要求。

    二、低温球阀材料

    1.主材

    针对不同等级的低温环境，烟中特殊阀门选用不同的材料（见表1）。通常对铁素体低温压力部件进行在设计温度下的夏比冲击试验，奥氏体不锈钢逐件进行PMI分析。

表1 烟中特殊阀门低温球阀主要零件材料

    制作低温球阀的金属材料在加工成形后需要进行冰冷处理或深冷处理。表2是烟中特殊阀门常用的深冷处理方法。

表2 烟中特殊阀门常用深冷处理方法

    2.阀杆

    畑中特殊阀门使用沉淀硬化不锈钢或镍铬合金作为超低温球阀阀杆材料，对奥氏体不锈钢材料制作的阀杆表面必须进行镀硬铬或渗氮处理提高阀杆表面硬度。表3是表面处理的常用材料。

表3 烟中特殊阀门表面处理常用材料

    3.密封面

    在低温状态下，由于非金属材料的膨胀系数较大，低温时的收缩量与金属密封件、阀体等耦合件的收缩量相差很多，导致密封性能大幅下降。同时大多数非金属材料在超低温状态下会发生脆性转变并容易导致冷流和应力松弛。低于－70℃的环境就不再采用非金属密封副材料。而奥氏体不锈钢阀瓣和阀座密封副由于球体与阀座之间在整个启闭过程中始终紧密贴合存在着摩擦，且金属密封副所要求的密封力较大，未经表面硬化处理的球体与阀座之间会擦伤，影响球阀的密封性能，烟中特殊阀门生产的低温球阀选用超声速火焰喷涂（HOFV）或者喷焊技术在球体和阀座密封表面喷涂WC或镍铬合金，使表面硬度达到68～72HRC，再进行高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。 

表4 烟中特殊阀门表面硬化常用材料

    三、低温阀门的结构特点

    畑中特殊阀门常用的低温用途上装式球阀，如图1所示，在设计上充分考虑了低温工况下对阀门各个零部件的要求。

图1 烟中特殊阀门低温阀结构示意

    1.阀体

    低温工况下阀体所承受的温度应力、连接管道的膨胀和收缩附加应力都很大，要保持阀门密封副不发生变形，壳体的刚度很重要。壁厚计算遵循ASMEB16.34规格要求，并在此基础上平均增加2～4mm。此外，为了防止低温时应力集中的脆性破坏，应尽量避免壳体有尖角、凹槽等。

    2.长颈阀盖

    在低温环境下，阀门采用长阀杆，可以避免填料函温度降至冰点造成的破坏。畑中特殊阀门依据MSS－SP－134规范，全方面考虑颈部长度和材料的热导率、导热面积及表面散热系数、散热面积等因素。长颈部强度计算通过常用阀体壁厚验算方法确定，同时在增加一定附加余量后满足阀体最小壁厚要求。结果见表5。

表5 长颈阀盖颈部长度

    此外，烟中特殊阀门借助于应力分析软件，模拟产品在实际温度、压力等具体环境中的参数，并根据分析数据对长颈阀盖进行修正，阀内结构对温度场的影响关系如图2所示。

图2 结构对温度场的影响

    3.密封结构

    奥氏体不锈钢在低温时会发生部分相变，从而产生相变应力变形，同时温度的变化也会产生温变应力变形。因此在制造过程中需对各零部件进行深冷处理，以降低温度对超低温阀门密封性能的影响。

    1）由于低温引起密封面的变形，可能会发生常温下密封良好的阀座在低温状态下发生泄漏，为此在计算密封预紧力时，在满足许用比压的基础上，应适当增加阀座预紧力，根据HSV以往的设计及制造经验，建议增加30%左右。

    2）由于填料通常是非金属材料，其线胀系数比金属填料函和阀杆大得多，因此在常温下装配的填料，降到一定温度后，其收缩量大于填料孔和阀杆的收缩量，会造成预紧压力减小引发泄漏。畑中特殊阀门采用组合式填料可以适用于不同温度的环境。填料由三维组合体构成，内含特殊润滑成分，应力松弛极小，适用温度低至-200℃。

    3）中法兰一般采用缠绕垫片密封结构。因材料线胀系数不同，密封比压会有所减小，引起介质外漏，因此中法兰紧固螺栓连接处采用碟形弹簧垫片预紧（如图3所示）补偿填料在低温时的预紧力确保填料密封性能。

图3 蝶形弹簧垫片

    4.防静电结构

    基于LNG介质的易燃易爆特性，在设计LNG低温阀门时，必须考虑防静电措施，如图4所示。尤其对非金属高分子材料阀座，有集聚静电的危险，静电能引起火花造成燃烧和爆炸。在设计时需考虑在阀杆与阀体之间、阀杆与关闭件之间设置导通装置，引出静电。对金属密封的超低温阀门，可不设置导通装置，但在装配后应测量阀杆与阀体、关闭件与阀体之间的电阻值小于设计规范所规定的10Ω。

图4 防静电结构

    5.泄压结构

    低温液化气体介质在温度升高的情况下会气化膨胀，如阀门内存在密闭的空间，在积液汽化时会造成阀门内压提高数倍造成泄漏，严重时发生阀体开裂造成事故。球阀在全闭和全开时都会形成密闭空间，因此在设计时要考虑当中腔压力升高时，阀门能自动将高压介质排放出去。畑中特殊阀门通常采用内部泄放方式。

    1）通过泄压孔将阀门中腔与管路进口端连通，使中腔压力始终与管路进口端平衡，如图5所示。

图5 内部泄压方式

    2）采用双阻断双排放结构阀座，如图6所示，当中腔压力达到设定的安全泄放压力时，中腔介质泄放至进口管路内。

图6 双阻断双排放结构阀座

    四、低温阀门的测试

    1.常用低温试验方法

     目前国际上通常采用浸渍法和保冷法两种方式。浸渍法（即外部冷却法）是将阀门直接放到装有液氮的保冷箱中冷却，当阀门温度骤冷至工作温度后再用氦气进行密封性能试验。保冷法（即内部冷却法）是将阀门安装在保冷箱中，通入低温介质进入阀门内部降温，当温度降到规定值时，将低温介质放掉，然后通入规定压力的氦气进行试验。欧美阀门行业多采用英国制定的阀门标准BS6364：1984（R1998）《低温阀门》，适用于闸阀、截止阀、止回阀、球阀和蝶阀，温度为-196～－50℃，其低温试验方法属于浸渍法。

    2.日本T.T.O低温阀门试验

    低温阀试验装置使用保冷法，如图7所示。阀座密封试验压力及持续时间见表6，泄漏量检测方法在图中显示为水槽中测量容器。

图7 低温试验装置

表6 低温阀阀座密封试验压力及持续时间

    低温试验的具体内容如表7所示。

表7 低温性能试验内容及要求

    畑中特殊阀门采用日本T.T.O低温阀指针做为低温阀的检测标准。T.T.O低温阀指针是由日本三大燃气公司根据国际通用法规制定的关于低温阀选材、设计、制造、试验、喷涂、包装以及运输等方面的规范，其中规定的允许泄漏量较其他国际规范更加严格。

    五、结语

    LNG超低温阀门由于其使用介质相对分子质量小，黏度低，浸透性强，容易泄漏，且其具有易燃易爆的特性，因此在设计超低温阀门时，必须考虑以下几点： 

    1）根据LNG介质特性和－163℃工作温度选用合适的相容材料。

    2）采用柔性密封结构。

    3）采用合理的防火、防爆结构和防超压结构。

    4）金属零部件在加工过程中进行深冷处理。

    5）进行低温试验。