一種新型液化天然氣低溫固定球閥結構設計

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(1. 凱喜姆閥門有限公司，浙江溫州 325024；2. 蘭州理工大學 溫州泵閥工程研究院，浙江 溫州 325102)

作為一種高效、清潔能源，液化天然氣(LNG)近年來備受青睞，其在全球范圍內的生產和貿易日趨活躍，每年以約12%的速度快速增長，正在成為世界油氣工業新的熱點，歐美國家都在大規模興建LNG接收站[1-2]。目前國內建設的LNG接收站，其關鍵部位配置的超低溫閥門主要從國外進口。國內生產的低溫閥門，在結構和密封性能方面普遍落后于進口閥門。大力推進 LNG超低溫關鍵閥門國產化進程，通過推廣將其應用到 LNG 工程項目中，對提升閥門制造企業自身的技術進步，保障國家能源戰略安全，都有著重要的意義[4-6]。因此設計出具有自主知識產權，同時技術性能足以取代進口產品的低溫、超低溫閥門，就顯得更加的必要和迫切[3]。

1 低溫固定球閥設計說明

新型低溫固定球閥結構見圖1，主要由閥體、伸縮環、碟簧、碟簧座、外防火石墨圈、石墨壓圈、內防火石墨圈、V型密封組件、出口閥座、下閥桿、球體、閥座密封圈、進口閥座、防靜電裝置、滴水盤、上閥桿、閥蓋、填料、壓套、壓板、碟簧、螺母、螺柱、支架、密封蓋、墊片、螺釘、調節螺栓、墊片、自緊密封件、活動柱等零部件構成。

閥體設有流通通道，球體設置在閥體的流通通道內，與閥桿聯動連接。球閥的兩側設有閥座，閥座與球體之間設有閥座密封圈，閥座與閥體之間設有V型密封組件。球體兩側的閥座分別為進口閥座與出口閥座，其中進口閥座設有泄壓孔，此泄壓孔連通閥體中腔與閥體一側的流通通道。閥座、V型密封組件與閥體內壁軸向滑移配合，V型密封組件與閥座的方向設置有預緊彈性裝置。

圖1 新型低溫固定球閥結構

低溫固定球閥還設有外部調節裝置。外部調節裝置包含伸縮環、活動柱、自緊密封件及調節螺栓。活動柱徑向裝在閥體上，其一端與閥體的外調節螺栓連接，另一端為一斜面并伸入閥體內，并與伸縮環斜面配合，伸縮環另一端與碟簧相抵。預緊彈性裝置包括碟簧、碟簧座。碟簧座一端與V型密封組件相抵，另一端放置碟簧。閥座的一端設有密封凸臺，與球體密封配合。密封凸臺與球體的密封面處噴涂有一層硬質合金，可形成密封。閥座與碟簧座上設有防火石墨密封圈，使其具有防火性能。

低溫固定球閥采用以上設計方案，使靠近進口一端的流體通道與閥體中腔連通，而靠近出口閥座一端的流體通道則與閥體中腔形成密封，當閥體中腔內的壓力異常升高時，其壓力能夠及時并充分地泄放到管道內，使壓力與管道內的壓力保持一致。此設計具有結構簡單、泄壓及時、泄壓效果好的特點，而且不會對閥門密封造成影響，密封效果好，不易泄漏[7]。

2 低溫固定球閥主要結構設計與計算

2.1 閥體結構

綜合考慮低溫閥門使用的溫度、應力以及管道收縮產生的收縮應力，閥體應優選整體鑄造或鍛造成型。為防止溫度變化應力集中對閥體的破壞，閥體殼體應圓滑過渡避免有尖棱、尖角和凹槽等。閥體壁厚可參考ASME B16.34[8]選取，再加上工藝和介質腐蝕等因素的附加裕量即可。閥體中法蘭可根據GB 150.1～150.4—2011《壓力容器》[9]，按承受內壓的筒體端部進行設計和驗算。

2.1.1筒體端部結構確定

筒體端部計算用簡圖見圖2。圖中相關尺寸的計算公式如下。

圖2 筒體端部計算用簡圖

Db≥D6+1.5dB

(1)

D5≥Db+1.8dB

(2)

hS≥(1.3～1.5)dB

(3)

r≥0.8δn

(4)

h≥hS+0.5dB(α=30°)

(5)

h≥hS+dB(α=45°)

(6)

式中，Db為中法蘭螺栓中心圓直徑，D5為筒體端部外徑，D6為筒體端部密封面外徑，dB為螺栓公稱直徑，hS為螺孔有效螺紋深度，δn為閥體厚度，h為端部外緣長度，r為筒體斜邊與閥體的圓角，mm。

2.1.2應力校核

M=1/6.28[(δn-C2+D7/3)FD-(Db-2DG/3)F-(Db-DG)Fp]-pCD7HgJ0

(7)

J0=JC-Hg/2

(8)

(9)

IC=2(I1+A1a12+Ig+Agag2)

(10)

(11)

A1=hB

(12)

Ag=(Hg-h)(δe+B)/2

(13)

a1=J1-JC

(14)

ag=JC-Jg

(15)

B=(D5-D7)/2-C2

(16)

(17)

(18)

J1=Hg-h/2

(19)

(20)

δ=δn-C2

(21)

σm=M/Zg

(22)

應力校核時，σm<[σ]即合格。

式中，M為筒體端部縱向截面的彎矩，N·mm；C2為閥體腐蝕余量，D7為法蘭內直徑，DG為墊片壓緊力作用中心圓直徑，Hg為筒體端部總高度，J0為筒體端面計算截面形心與筒體端面高度中心距，JC為筒體端部組合體形心矩，a1為矩形部分形心與組合體形心距，ag為梯形部分形心與組合體形心距，h為筒體端部外緣長度，B為矩形部分的寬度，δe為閥體有效厚度(δe=δ)，J1為矩形部分的形心距，Jg為梯形部分的形心距，δ為閥體計算厚度，mm；FD為作用于筒體端部內徑向截面上的流體壓力(FD=0.785D72pC)，F為流體壓力引起的總軸向力，Fp為操作狀態下需要的最小墊片壓緊力，N；pC為公稱壓力，σm為筒體端部縱向截面的計算彎曲應力，[σ]為筒體端部許用彎曲應力，MPa；Zg為筒體端部縱向截面的抗彎截面系數，mm3；IC為筒體端部組合段的慣性矩，I1為矩形部分的慣性矩，Ig為梯形部分的慣性矩，mm4；A1為筒體端部矩形部分面積，Ag為筒體端部梯形部分面積，mm2。

2.2 加長閥蓋及滴水盤設計

在低溫工況下填料會隨著使用時間的延長而逐漸失去彈性，進而引發介質滲漏，導致填料處結冰。填料處一旦出現結冰現象，閥桿在開關過程中就會被填料損傷，引起嚴重的外漏。因此在通常情況下，均要求保證低溫球閥的填料溫度在0 ℃以上，這就要求對應閥蓋必須為加長型。低溫球閥加長閥蓋的加長程度可參照BS 6364《低溫閥門》[10]和MSS SP-134《低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》[11]進行確定。

根據低溫球閥的使用工況，往往需要對加長的閥蓋設置滴水盤[12]。滴水盤能夠阻止管道內的低溫能量傳遞給填料，同時也能阻止閥門上部的冷凝水滴到閥門及保溫層上，從而有效消除結冰現象及其對閥門使用和維修的影響。滴水盤的大小可根據使用要求加以確定，通常其外徑大于中法蘭螺栓即可。滴水盤的高度可參見JB/T 12621—2016《液化天然氣閥門 技術條件》[13]確定。

2.3 填料防松動設計

低溫球閥填料通常為柔性石墨或PTFE，這兩者的膨脹指數均要高于金屬。當常溫裝配的閥門在低溫下使用時，常因填料的收縮比填料函與閥桿的收縮大而出現間隙，進而產生外漏。為防止此種情況的發生，就要求對填料預緊螺栓加上1組或多組碟簧，來補償填料在低溫下出現松弛的情況，保證閥門填料處不發生泄漏。

2.4 腔體泄壓設計

溫度升高時，低溫介質由液態轉變為氣態，在此過程中伴隨著氣體的集聚膨脹。以LNG為例，其液態轉變為氣態時體積膨脹比約為1∶600。因此低溫閥門的體腔泄壓必不可少。

為保證低溫介質能夠完全、快速泄放，在本低溫固定球閥閥蓋上設計了泄壓孔，使閥桿與閥蓋間隙處低溫介質汽化時能快速排向閥體中腔。同時在進口閥座處開有泄壓孔，使閥體中腔汽化的低溫介質能迅速地排放到管道中(圖3)，保證低溫固定球閥的安全運行。

圖3 低溫球閥腔體泄壓結構示圖

2.5 復合密封閥座設計

低溫固定球閥采用軟硬復合密封結構，復合密封閥座結構見圖4。

圖4 低溫球閥復合密封閥座結構示圖

低溫球閥的球體和閥座凸臺均噴有硬質合金，并進行過研磨，可保證其能夠形成密封。閥座上開有一凹槽，其中鑲有一閥座密封圈，閥座密封圈材料為PCTFE。

在使用時，閥座密封圈先與球體接觸，并形成密封。當閥座密封圈磨損或介質力過大使閥座密封圈變形時，閥座密封凸臺與球體接觸，即形成了軟硬復合密封效果。這樣既能很好地保證閥座的密封性能，同時還能有效保護閥座密封圈，使閥門閥座能有效保證密封狀態。

2.6 閥后雙活塞設計

低溫固定球閥的閥座結構采用雙活塞設計[14]，見圖5。

當介質流向如圖5a所示時，有pS1

圖5 低溫球閥閥座雙活塞結構簡圖

2.7 在線可拆卸設計

低溫球閥在線可拆卸結構見圖6。

圖6 低溫球閥在線可拆卸結構簡圖

當低溫固定球閥出現內漏或零件損壞時，因其為上裝式結構，不需把閥門整體拆卸下，即可對閥門內部零件進行更換和維修。拆卸步驟為：①擰下密封蓋和置于其中的墊片。②擰松螺釘并將其取下。③擰松調節螺栓，并將其取出。④取出自緊密封件上的墊片和自緊密封件。⑤取出活動柱，使閥座及V型密封組件處于松弛狀態。⑥松下中法蘭螺栓與螺母，取下閥蓋以上部件以及閥桿。⑦用塑料棒或銅板輕輕敲動閥座使其往后退，直到球體能夠取出。⑧取出球體、閥座和需要維修及更換的零件。閥門的裝配過程為拆卸過程的逆過程。

2.8 防靜電裝置設計

低溫球閥輸送的均為易燃、易爆的介質，并且閥座密封圈為聚三氟乙烯，在閥門的開關過程中，金屬與非金屬的摩擦會有靜電產生，因此在低溫閥門中必須設防靜電裝置。在低溫固定球閥閥桿與球體處設置一防靜電裝置，確保球體與閥桿的電連續性。在閥桿與閥桿配合處設置另一防靜電裝置，確保閥桿與閥蓋及閥體的電連續性(圖7)[15]。

圖7 低溫球閥防靜電結構簡圖

3 結語

隨著LNG的廣泛使用，低溫固定球閥需求也日益增加。目前低溫固定球閥主要還是依賴進口，國產化效果不佳，即使是進口的低溫固定球閥也經常出現內漏問題。要提高低溫固定球閥的密封性能，可以從以下幾個方面著手：①研制新型結構，使低溫固定球閥具有更可靠的密封性能。②采用PCTFE、改性PTFE作為閥座密封圈時，應對其在低溫下的收縮加以限制，或對其收縮用其他密封件補償。③研制新型的低溫密封材料，解決低溫下非金屬件的收縮問題。為避免非金屬密封件收縮而導致泄漏，密封面為金屬密封將是一種趨勢。