LNG 超低溫軸流式止回閥的國產化

張建寶

（蘭州高壓閥門有限公司）

液化天然氣（LNG）是一種清潔、高效的能源。 在環境問題倍受重視的背景下，天然氣作為清潔能源越來越受到青睞。 根據國家能源規劃，預計“十三五”期間在運、在建和未來幾年內規劃建設的國內LNG 接收站近30 座，接收能力超過60Mt。 LNG 從生產到消費的整個流程中，需要用到大量的閥門，該類閥門屬于“超低溫閥門”［1］。據了解， 一座LNG 接收站需要配套4 000 多個各類閥門，其中2 300 多個需要從國外采購。 目前，低溫閘閥、截止閥和常規的止回閥已基本實現了國產化，LNG 管道用超低溫的高壓球閥、大口徑蝶閥、軸流式止回閥及高壓調節閥等均需進口。 這些產品要求耐低溫、耐高壓、耐高壓差，仍需要組織國產化攻關，蘭州高壓閥門有限公司承擔了用于LNG 的超低溫軸流式止回閥的國產化任務。

1 概況

LNG 溫度-162℃，屬于易燃、易爆且滲透性強的超低溫介質。 超低溫介質的運輸和儲存需要使用專用的超低溫閥門，以杜絕超低溫環境中閥門出現問題，進而引發嚴重事故。 根據使用工況的要求，LNG 系統設備配套的低溫閥門對安全性和可靠性的要求比普通低溫閥門的更高。 因此，LNG 超低溫軸流式止回閥多采用對焊結構設計，主要包括閥體、閥座、閥瓣、擋圈、密封圈、導向桿及彈簧等零部件（圖1）。

圖1 LNG 超低溫軸流式止回閥結構示意圖

2 關鍵部件

2.1 閥體

由于超低溫軸流式止回閥的進出口壓降要求特別嚴格（不大于0.01MPa），所以其閥體均被設計成流線型，內腔的導流罩與殼體一并整體鑄造成流線型且間距保持一致，可避免流體經過流道時形成不穩定流態［2］。

根據《實用閥門設計手冊》計算出該閥體壁厚SB′=24.75mm，實際壁厚SB=57.20mm，顯然SB>SB′，符合設計要求；采用SolidWorks 軟件分析，標準壓力和溫度下閥體最大變形量為0.106 16mm（圖2）、閥體最大等效應力約為115MPa（圖3），許用彎曲應力138MPa，符合設計要求。

通過公式和SolidWorks 軟件雙重計算驗證得出，閥體的壁厚、剛度和強度符合設計要求，滿足工況使用條件［3］。

圖2 閥體變形云圖

圖3 閥體等效應力云圖

2.2 密封副

超低溫軸流式止回閥的閥座采用堆焊硬質合金，而閥座與閥體間的密封采用特殊的唇形圈密封（圖4），該唇形圈采用超低溫材料，可用于-196℃的低溫環境，密封效果很好，只是止回閥與唇形圈接觸面的精度要求極高，對廠家的設備加工能力要求也高，蘭州高壓閥門有限公司采用豪克能技術加工與唇形圈接觸的表面， 可滿足0.2μm 表面粗糙度的條件要求（圖4）。

圖4 唇形圈密封結構示意圖

2.3 特殊彈簧

軸流式止回閥內部安裝的彈簧起著輔助閥瓣關閉的作用， 但對彈簧的力感應度要求極高，在介質作用力很小的情況下閥門就能打開，而在閥門全開時閥瓣與導流罩貼合，此時要求彈簧的作用力不能太大，不能讓閥瓣停留在閥座與導流罩之間，避免閥瓣產生顫動而使介質出現紊流。

3 技術特點

超低溫閥門設計除了遵循一般閥門的設計原則外，還有一些特殊的要求：

a. 應考慮閥門的主要部件能承受持久的或瞬間的溫度驟變而引起的應力；

b. 在壓力和溫度交變作用下，不應出現明顯的塑性變形；

c. 設計時，除了對閥體、閥瓣進行常規的強度計算外，還應通過有限元應力、抗振分析來確保閥門的可靠性。

在選材方面，必須選用優質低碳奧氏體不銹鋼作為LNG 超低溫軸流式止回閥的主體材料，通常鑄造成不銹鋼鑄件，而且必須通過射線探傷檢驗。 鑄件中鐵素體含量低于3%時，影響其焊接性能；高于12%時，會形成鏈狀連接的馬氏體，影響整體力學性能和形變。 因此，超低溫鑄造不銹鋼中鐵素體含量宜在4%～12%之間。 測試成品閥體6 個部位 （圖5） 的鐵素體含量， 分別為5.7%、6.9%、6.6%、6.7%、6.3%、6.4%，平均值約為6.4%。

圖5 閥體鐵素體測試部位示意圖

在滿足強度、剛度的要求時，應力求零件的重量最小，以減小熱傳導損失；由于“超低溫”工況下閥體所承受的溫度應力、連接管道的膨脹和收縮應力都很大，為了防止低溫時應力集中的脆性破壞，殼體中的尖角、凹槽等應盡量避免。 最后，需要特別強調的是閥門鑄件達到-196℃時，保溫2～6h，重復循環兩次，以消除相變的影響。 否則，在低溫下會發生馬氏體相變，引起閥門變形，導致閥門泄漏。

閥門的密封性能是衡量其質量優劣的主要指標。 首先杜絕“外漏”，該閥門采用對焊連接方式，無疑減少了泄漏點，在閥座與閥體部位均嚴格保證接觸表面的精度， 并選用特殊的唇形圈，使密封性能達到相應標準。 其次杜絕“內漏”，通過采取校核內件剛度、控制加工精度和“深冷處理”的措施，保證了密封件的剛度，有效防止低溫下的變形。

4 結束語

LNG 超低溫軸流式止回閥的低溫工況和危險介質，嚴控設計和生產精度極為重要，尤其是閥體流線型的設計起到關鍵作用，直接影響閥門進出口的壓降，運用SolidWorks 軟件進行有限元模擬分析完成優化設計。 用于LNG 的鑄件必須經射線探傷檢驗為優質，且通過先進的機加工工藝來保證閥門的質量。 隨著低溫工程規模的不斷擴大，超低溫軸流式止回閥將有更大的需求。