LNG聯運罐箱用緊急切斷閥設計及試驗研究

周世豪，李 成，張新奇，余 巍

(中國船舶重工集團公司第725研究所，河南 洛陽 471000)

0 引 言

LNG罐箱多式聯運是以LNG罐式集裝箱作為能源商品，集合水路、陸路多種運輸方式，實現“一罐到底”直達終端用戶，具有“宜儲易運”，靈活性強特點，可實現公路、鐵路、水運之間無中間環節的便利國際聯運。目前，LNG罐箱多式聯運備受業內青睞，國內LNG產業鏈各環節的相關企業均已開始布局相關業務。就國內而言，LNG罐箱多式聯運可低成本、規模化到達目前天然氣管網無法覆蓋的區域，不僅可顛覆性解決LNG能源的運輸問題，未來還將高效、低成本打通國際資源與國內終端客戶連通渠道，成為傳統LNG模式的有效補充。緊急切斷閥作為LNG聯運罐箱安全附件之一，通過氣動控制實現遠程監控、現場手動操作以及緊急情況下(著火、溫度異常等)的自動切斷功能，是保證罐箱安全、穩定運行的關鍵配套設備[1-3]。

為提高緊急切斷閥在車載低溫工況的穩定性和安全性，筆者設計了一種新型結構的LNG聯運罐箱低溫緊急切斷閥，并介紹了其工作原理、結構組成及材料選擇等，對閥門的關鍵零部件進行校核計算。并通過低溫性能試驗驗證了該結構設計的合理性和可靠性，為低溫緊急切斷閥的設計與研究提供了一種新的參考。

1 低溫緊急切斷閥設計

1.1 新型低溫緊急切斷閥組成

常規氣缸結構的低溫緊急切斷閥結構如圖1所示。

圖1 氣缸結構低溫緊急切斷閥

主要由閥體、閥瓣、長頸閥蓋、閥桿、填料、行程指示器、氣缸、手輪等組成。由于低溫特殊工況要求，閥門往往呈現“細長頸”和“兩頭重、重心高”的結構特點，易造成管路負荷較大、安裝空間浪費等問題。同時，由于LNG槽車在高速行駛過程中，其動力系統自身產生的振動導致LNG充裝管路和配套閥門不可避免的出現振動。因此，緊急切斷閥在實際應用過程中存在異常振動現象，整閥往往因受力集中而引起閥門的泄漏、失效，從而誘發嚴重的安全事故[4-6]。

圖2 膜片式結構低溫緊急切斷閥1.閥體 2.閥瓣組件 3.密封墊片 4.閥蓋組件 5.閥桿 6.彈簧座 7.彈簧 8.填料組件 9.下蓋 10.膜片組件 11.上蓋 12.消音器 13.接氣管 14.易熔塞 15.手輪組件

如圖2所示，文中設計了一種新型膜片式結構的低溫緊急切斷閥，閥門由閥體、閥瓣組件、密封墊片、閥蓋組件、閥桿、彈簧座、彈簧、填料組件、下蓋、膜片組件、上蓋、消音器、接氣管、易熔塞、手輪組建等組成，具體如圖2所示。其中閥瓣組件包括閥瓣、密封圈、密封圈壓板、彈簧墊圈、鎖緊螺母、壓緊螺母、對開環等；閥蓋組件包括閥蓋體、接管和上法蘭等；填料組件由襯圈、填料、填料壓套、填料函、O型圈組等成；膜片組件由下支撐板、膜片、上支撐板、彈簧墊圈、薄螺母等組成；手輪組件由螺桿、限位套、平墊片、薄螺母和手輪組成。閥體和閥蓋組件用雙頭螺柱連接，由密封墊片密封。彈簧位于閥蓋接管中，安裝在彈簧座和填料函之間，彈簧座與閥桿凸臺緊密接觸，可隨閥桿上下運動，從而改變彈簧預緊力的大小。填料壓套在閥桿上通過螺紋連接在填料函上，同時壓緊填料組，用內外三組O形圈分別與填料函和閥桿實現內外密封，防止雜質進入而影響填料密封效果；填料函與閥蓋上法蘭通過螺柱、螺母和彈簧墊圈連接在一起，并由密封墊片進行密封。填料組件實現對閥蓋上法蘭和閥桿的密封，確保介質不因閥桿運動而泄漏。緊急切斷閥上蓋、膜片和下蓋通過螺栓連接，組成密閉的膜腔，膜片組件在膜腔內與閥桿通過薄螺母連接在一起，并通過O型圈實現上下膜腔的隔絕。手輪安裝在上蓋頂端，與螺桿配合連接，通過螺桿螺紋傳動，膜片組件向上運動，進而帶動閥桿、閥瓣向上移動，閥門開啟，實現緊急切斷閥手動開啟。在正常工作狀態時，手輪單獨存放，以防止人員誤操作，只有在系統故障或閥門檢修時，允許操作人員用手輪進行閥門啟閉，手動開啟閥門后氣動功能自動失效，手動復位后方可氣動控制，以保證整個管系運行的安全性和可靠性等。

1.2 工作原理

LNG聯運罐箱低溫緊急切斷閥通過焊接方式與管路系統連接。空載狀態時，在彈簧的預緊力作用下，通過閥桿和閥瓣，使閥瓣密封圈和閥體密封面緊密貼合，保持閥門的關閉；工作時，向膜腔內充入壓縮氣體，在氣源壓力作用下，膜片克服彈簧力向上運動，帶動閥桿及閥瓣向上，閥門打開；當處于開啟狀態的閥門，周圍環境溫度升高至70±5 ℃時，易熔塞熔化，膜腔內壓縮氣體排放，膜片失壓，閥桿在彈簧力的作用下向下運動，推動閥瓣迅速向下關閉閥門，切斷管路內介質的繼續排放，防止危險發生或擴大。

1.3 低溫緊急切斷閥材料選擇

根據低溫緊急切斷閥的工況和使用要求，閥門的承壓部件如閥體、閥蓋等大多選用金相組織比較穩定的奧氏體不銹鋼。其中，閥體、閥瓣選用精密鑄造成型的CF8鑄件，閥桿、閥蓋、閥蓋上法蘭、彈簧座等內件選用06Cr19Ni10棒材，閥瓣密封圈選用耐低溫性能優良的聚三氟氯乙烯，閥蓋密封墊選用石墨纏繞墊片，填料選用聚四氟乙烯加柔性石墨組合型填料，填料函內外密封和膜腔上下密封選用丁腈橡膠O形圈，膜片選用夾布丁腈橡膠材料，彈簧墊圈、鎖緊螺母等選用不銹鋼1Cr18Ni9Ti，螺桿、填料壓套、對開環等選用耐磨且低溫性能優良的銅合金材質[7]。

1.4 膜片式低溫緊急切斷閥特點

相對于傳統的氣缸型結構，新設計的膜片式低溫緊急切斷閥具有以下特點：①彈簧與膜片分離式結構設計，將彈簧安裝在長頸接管內，滿足低溫工況下所要求的連接管高度的同時，降低了膜腔部分所需的彈簧安裝尺寸，縮短了整閥的安裝高度，整閥較原設計總高度縮短了1/3左右；②采用膜片式結構執行器，大大降低了執行器部分的整體重量，從而使整閥的質量也減輕了1/3左右；③彈簧安裝在長頸接管內，接管直徑增大，使閥門從上至下質量較為均衡，降低閥門因車載頻繁振動而引起泄漏、失效的風險；④閥桿部位采用聚四氟乙烯加柔性石墨組合型填料+內外O形圈多重密封結構，提高了閥桿密封可靠性。

2 低溫緊急切斷閥設計計算

對低溫緊急切斷閥主要零部件進行校核計算[8-9]。

2.1 閥體壁厚計算

(1)

式中：tB′為計算厚度，mm；p為計算壓力，PN設計給定，MPa；Dn為計算內徑，設計給定，mm；[σL]為許用拉應力，查表，MPa；C為腐蝕余量，C取5.0 mm，設計給定，mm；tB為實際厚度，設計給定，mm。

通過計算可知，閥體選用奧氏體不銹鋼CF8鑄件時，計算得到壁厚為6.46 mm，考慮接口尺寸要求及加工工藝性，閥體實際壁厚為7.0 mm，滿足要求。

2.2 密封比壓的計算

閥瓣和閥體密封選用聚三氟氯乙烯圈和閥體金屬之間軟密封，閥瓣和閥體的密封副密封面比壓按下式計算：

(2)

式中：QMJ為密封面處介質力，N；QMF為密封面上密封力，N；DMN為密封面內徑，mm；bm為密封面寬度，mm。

其中：QMJ=0.25π(DMN+bm)2p,QMF=π(DMN+bm)bmqMF，通過計算得QMJ為7 088 N，QMF為3 088 N，將QMJ、QMF、DMN、bm代入式(2)得，q為45.48 MPa。必須比壓qMF按下式計算：

(3)

密封面材料為PCTFE，需用比壓[q]=50 MPa，qMF

介質從閥瓣上方流入時，閥桿最大軸向力在開啟時產生，按下式計算：

QFZ″=QMJ+QT-QP

(4)

式中：QFZ″為開啟瞬時的閥桿總軸向力，N；QMJ為關閉時作用在閥瓣上的介質力，N；QT為閥桿與填料間的摩擦力，N；Qp為介質作用在閥桿上的軸向力，N；QT=πdFhTμTp，通過計算得QT為497.4 N，其中dF為閥桿直徑，取18 mm；hT為填料層總高度，取22 mm；μT為閥桿與填料之間的摩擦系數，μT取0.1；Qp=πdF2p/4，通過計算得Qp為1 017.4 N，帶入式(4)得，QFZ″為6 568 N。

2.3 彈簧及閥桿受力的分析

(1) 介質從閥瓣上方流入時，閥桿最大軸向力在開啟時產生，閥桿軸向合力按下式計算：

F1=F2+Fm

(5)

式中：F1為軸向合力，N；Fm為閥芯關閉所需密封力，N；F2為開啟瞬時閥桿總軸向力，N；FT為彈簧壓力，N。

其中，Fm=QMF=3 088 N；F2=QFZ″=6 568 N

(2) 彈簧壓力FT計算

FT=F1=3 088 N+6 568 N=9 656 N

取1.1倍安全系數，彈簧預緊力取10 621.6 N。

2.4 閥桿強度校核

閥桿所受的最大力為壓力，拉壓應力按式校核：

σ=F1/S≤[σ]

(6)

式中：σ為最大壓應力，MPa；F1為閥桿最大壓力，N；S為最小截面處的面積，S計算為78.5mm2；[σ]為材料的許用拉或壓應力，取[σ]為140 MPa，以上帶入式(6)計算得：σ=F1/S=1 0621.6/78.5=135.3 MPa<[σ]，校核合格，滿足設計要求。

2.5 閥蓋與閥體連接螺栓強度計算

閥蓋與閥體連接所需的總作用力：

Q=QDJ+QDF

(7)

式中：QDJ為墊片處介質作用力，N；QDF為墊片上密封力，N。

其中，QDJ=0.25πDDP2p，QDP=0.25π(DW2-DN2)qMF，DDP為墊片平均直徑，取70.5 mm；DW為墊片外徑，取76 mm；DN為墊片內徑，取65 mm；qMF為墊片必須比壓，取值為7.3 MPa。通過計算得QDJ為15 614 N，QDP為8 892 N，代入式(7)得，閥蓋與閥體連接所需的總作用力Q=24 506 N。

閥蓋與閥體所需的軸向密封力無法直接實現，必須通過螺母的擰緊力矩來得到。螺母的擰緊力矩由三部分組成：由升角產生，用于產生預緊力使螺栓桿伸長；螺紋副摩擦；支撐面摩擦。所需擰緊力矩T的計算公式為：

T=K×P×d

(8)

式中：K為扭矩系數，取0.15；P為螺栓預拉應力，kN；d為螺栓的螺紋公稱直徑，mm；通過計算，擰緊力矩T=55.14N·m。

2.6 彈簧的計算

緊急切斷閥中彈簧的預緊力主要是壓縮預緊力，實現閥芯關閉，彈簧預緊力初步取1 968 N。彈簧選材06Cr19Ni10鋼絲，鋼絲直徑初步選擇為10 mm，彈簧旋繞比取4.8，有效圈數取6.5，則剛度K=123 N/mm，自由高度130 mm，預壓縮量16 mm，節距P=17.7 mm。

2.7 膜片驗算

緊急切斷閥所需膜片驅動力為：

(9)

式中：Fm為閥桿與填料之間摩擦力，即Fm取497.4 N；DMW為密封面外徑，取48 mm。

帶入式(9)得，F≥6 737.2 N。

所需信號氣源壓力：

p2′=4F/D2π=4×6737.2/1802×3.14=0.26 MPa

式中：D為氣缸直徑，取180 mm。

所需氣源壓力為0.26 MPa<0.6 MPa，滿足要求。

3 試驗驗證

開展低溫緊急切斷閥的低溫密封試驗考核，具體試驗裝置組成如圖3所示。將研制樣機放入液氮杜瓦槽內，保證液氮蓋住閥體與閥蓋連接上端，冷卻過程中保持閥門充氣。待浸泡各處的溫度穩定在-196 ℃時，閥內沖入氦氣進行密性試驗。此時，用試驗前布置的各組熱電偶，監測閥內、閥體、閥蓋填料函處溫度，緊急切斷閥具體試驗過程如圖4所示。

圖3 低溫試驗裝置組成1.氦氣瓶 2.調節閥 3.遠控閥 4.壓力表 5.保溫蓋 6.液氮槽 7.蛇形管 8.被測閥 9.液氮 10.針閥 11.計泡器 12.流量計

圖4 低溫緊急切斷閥試驗過程

表1 低溫緊急切斷閥試驗結果

緊急切斷閥具體試驗結果如表1所列，低溫狀態下閥門開啟氣源壓力P<0.6 MPa，動作時間t<5 s，閥門啟閉靈活、無卡阻。低溫狀態下研制樣機的密封、動作及驅動氣源壓力指標滿足GB/T 24918-2010低溫介質用緊急切斷閥要求[10]，且低溫試驗時填料函底部熱電偶溫度顯示為3.2 ℃，滿足填料函部位的溫度在0 ℃以上的設計要求。通過研制樣機低溫性能試驗驗證了該結構設計的合理性和可靠性，為低溫緊急切斷閥的設計與研究提供了新的參考。

4 結 語

為滿足LNG聯運罐箱運輸、貯存系統中的安全防護使用要求，文中通過設計一種彈簧膜片分離式結構低溫緊急切斷閥，并對其工作原理、結構組成、材料選擇及其特點進行了詳細描述，對閥門的關鍵零部件進行校核計算。另外，對低溫緊急切斷閥研制樣機進行低溫性能試驗檢測，試驗結果表明在低溫狀態下樣機的密封、動作及驅動氣源壓力等技術指標滿足GB/T 24918-2010低溫介質用緊急切斷閥要求，驗證了該結構設計的合理性和可靠性，為同類產品的設計、開發提供了一種新的思路。