超低溫閥門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂延彬 郭睿

摘 要：隨著超低溫流體介質(zhì)應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，其生產(chǎn)制造、儲存及運(yùn)輸設(shè)備也得到了快速發(fā)展，其中超低溫閥門既是這些設(shè)備中關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件，對整個(gè)加工或運(yùn)輸系統(tǒng)都起到至關(guān)重要的作用。文章是針對液化天然氣運(yùn)輸設(shè)備中超低溫閥門進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先討論超低溫閥門的材料選擇，其次對閥門的各個(gè)子元素結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，討論其必要性，并針對介質(zhì)特性對超低溫閥門中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：超低溫閥門；優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)分析；液化天然氣

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)與工業(yè)的快速發(fā)展，液化天然氣也逐漸成為人們生活中必備的能源物質(zhì)，它具有一定的清潔性與低溫性。目前，液化天然氣使用率正在以大幅度增長趨勢而不斷增加，在全球市場上也是增長速度最快的能源之一。液化天然氣具有易燃、易爆與易汽化等特點(diǎn)，因此研究液化天然氣的運(yùn)輸、存儲以及控制設(shè)備，對于確保液化天然氣的穩(wěn)定供給，以及提高整個(gè)設(shè)備的操作與運(yùn)輸安全都具有十分重要的實(shí)際意義。由于閥門是流體輸送系統(tǒng)中的主要控制部件，具有導(dǎo)流、截止、調(diào)節(jié)、穩(wěn)壓、分流且防止逆流或溢流泄壓等作用，文章既是針對液化天然氣運(yùn)輸設(shè)備中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，即超低溫閥門進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，討論超低溫閥門的材料選擇，并對閥門的各個(gè)子元素結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，討論其必要性，并提出部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 超低溫閥門的材料選擇

超低溫閥門的設(shè)計(jì)首要即是針對材料的選擇，縱觀閥門發(fā)展的歷程，用于制作閥門的材料是多種多樣的，主要包括：黃銅、鍛鋼、不銹鋼、鑄鋼、鑄鐵等[1]。由于液化天然氣是一種不同于常規(guī)流體的一種特殊的低溫流體，閥門的材料必須要適應(yīng)低溫工作環(huán)境，同時(shí)還需考慮液化天然氣的特性，使材料能夠很好地引導(dǎo)低溫流體介質(zhì)。其次是針對閥門密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，因閥門的工作環(huán)境溫度不穩(wěn)定，具有一定的變化幅度，從而極易使導(dǎo)致閥門元件受損且產(chǎn)生控制誤差，因此為了實(shí)現(xiàn)有效誤差補(bǔ)償，密封結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)成柔性。同時(shí)對于閥門材料必須要進(jìn)行深冷處理，以穩(wěn)定材料的金相組織，消除可能存在的低溫變形[2]，使材料在服役過程中，不會出現(xiàn)突然的失效。由于液化天然氣的低溫可達(dá)到-165℃，而常見的金屬材料在很低的溫度下其強(qiáng)度和韌性均可能會有所變化，因此當(dāng)閥門控制的介質(zhì)溫度低于-70℃時(shí)，一般使用非金屬密封副材料，而目前國內(nèi)的低溫球閥主要采用PCTFE材料作為軟密封閥座材料。

2 超低溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 閥蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥蓋如同一個(gè)建筑的屋頂，對于閥蓋的設(shè)計(jì)尤為重要。首先需要考慮閥腔內(nèi)介質(zhì)的溫度，對于液化天然氣而言，其溫度可低至-165℃，而閥門填充材料的使用溫度卻高于零度，因此在設(shè)計(jì)超低溫閥門閥蓋時(shí)，需要采取長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使閥門填充材料盡可能遠(yuǎn)離閥體中介質(zhì)，避免了閥桿以及閥蓋上部件在低溫環(huán)境中凍結(jié)的可能，從而保證閥門的正常運(yùn)行。

2.2 滴水板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于閥門內(nèi)傳遞是低溫介質(zhì)，為了避免或減少介質(zhì)溫度向閥桿及其上端的填充材料傳遞，防止這些材料因凍結(jié)而失效，可在閥門中增加滴水板結(jié)構(gòu)。一些研究機(jī)構(gòu)對這種帶有滴水板結(jié)構(gòu)的閥門進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端溫度較高。由于延長閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹燭影響在線維修。

2.3 泄壓部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一些低溫介質(zhì)在汽化后其體積會升高，例如，液化天然氣汽化后的體積為液態(tài)時(shí)的六百多倍，當(dāng)閥門為閉合狀態(tài)且周圍環(huán)境溫度相對較高時(shí)，閥體內(nèi)的低溫介質(zhì)吸收環(huán)境中熱量而逐漸汽化，其體積迅速上升，從而導(dǎo)致閥門內(nèi)壓力增加。其結(jié)果不僅破壞閥門內(nèi)元件及閥座等部件，甚至使閥門工作失效。因此在閥門入口端必須要設(shè)計(jì)泄壓結(jié)構(gòu)，一般設(shè)計(jì)為泄壓孔形式，以保證腔體和入口管道的連通防止腔體異常升壓。

2.4 防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

到目前為止，國內(nèi)的低溫球閥仍主要采用PCTFE材料作為軟密封閥座材料，然而這種材料具有靜電聚集效應(yīng)，且液化天然氣又具有易燃易爆等特點(diǎn)，從而極易導(dǎo)致靜電火花的產(chǎn)生，其后果不堪設(shè)想，因此對于防靜電結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是十分必要的。而對于防靜電結(jié)構(gòu)以一種類似避雷針的引導(dǎo)電流方式設(shè)計(jì)為導(dǎo)通裝置，將閥桿與閥體導(dǎo)通，從而將靜電導(dǎo)出以消除安全隱患，保證整個(gè)系統(tǒng)的供應(yīng)安全。

2.5 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)閥門的關(guān)鍵部分，在低溫介質(zhì)狀況下，僅僅采用填充材料的方式實(shí)現(xiàn)閥門密封的效果較差，還需要考慮密封的結(jié)構(gòu)及其材料。一般而言，首先需要考慮填充材料，除了上述材料外，還可增加柔性石墨填料，此外還需增加不同結(jié)構(gòu)與層數(shù)的密封圈；其次采用碟簧組預(yù)緊式結(jié)構(gòu)，以補(bǔ)償環(huán)境溫度與介質(zhì)溫度的變化及其傳遞溫度變化時(shí)導(dǎo)致的螺栓變形量，同時(shí)減少在長時(shí)間工作環(huán)境下填料及密封元件的損耗。

2.6 防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖1所示）

圖1 閥體閥蓋雙道密封結(jié)構(gòu)

防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是針對因溫度劇烈變化而導(dǎo)致的介質(zhì)泄露問題而進(jìn)行的。如圖1所示，閥體和閥蓋連接部位采用唇式密封圈和石墨纏繞墊片的雙道密封結(jié)構(gòu)，閥桿密封部位也采用唇式密封圈、石墨填料組和O形圈多重密封結(jié)構(gòu)[3]。這種防火結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，可以使用閥體中腔中的石墨纏繞墊片以及石墨填料組織進(jìn)行介質(zhì)密封，避免了密封圈因熔化失效而導(dǎo)致的低溫流體泄露問題。此外有些閥體的防火結(jié)構(gòu)采用了金屬閥座與非金屬密封環(huán)的雙重密封防火結(jié)構(gòu)，這種情況可以在第一道非金屬密封環(huán)因溶化而失效的情況下，其第二道防火密封的金屬閥座在彈簧預(yù)緊力作用下，將閥座推向球體而阻斷管線流體防止內(nèi)漏。

3 超低溫閥門的閥桿組合設(shè)計(jì)

由于介質(zhì)的超低溫特性，閥桿的組合設(shè)計(jì)應(yīng)具有彈簧蓄能圈、密封墊片、止退墊片、中間閥桿填料、填料壓套、填料壓板以及碟形彈簧等部件。其中彈簧蓄能密封圈的作用是當(dāng)閥腔內(nèi)低溫介質(zhì)遇熱汽化而升高壓力時(shí)，該密封圈可在壓力作用下緊貼密封溝槽，防止泄露；中間的一些部件為防爆部件，即當(dāng)腔內(nèi)壓力較高時(shí)，可形成保護(hù)層，避免閥桿在高壓作用下被沖出；對于碟型彈簧部件而言，其主要形成預(yù)緊式壓緊填料，補(bǔ)償因溫度變化而導(dǎo)致的密封件松弛。

與此同時(shí)，閥門的設(shè)計(jì)還需考慮環(huán)境的影響，例如環(huán)境溫度較高時(shí)，直接影響到閥門中材料的選擇、閥桿的長度以及中間填充的輔助部件等。因?yàn)檩^高的環(huán)境溫度容易與低溫介質(zhì)對流，即使中間有物質(zhì)阻隔，也容易導(dǎo)致溫度傳遞，產(chǎn)生熱交換，而這種情況會導(dǎo)致很多關(guān)于閥門可靠性問題的產(chǎn)生。因此針對特殊的環(huán)境，設(shè)計(jì)不同的超低溫閥門結(jié)構(gòu)與材料，以應(yīng)對各種環(huán)境下超低溫介質(zhì)運(yùn)輸或存儲的穩(wěn)定，同時(shí)保證整個(gè)系統(tǒng)的安全。

總而言之，超低溫閥門的應(yīng)用隨著液化天然氣消費(fèi)量的增加而逐漸擴(kuò)大，文章既是對液化天然氣運(yùn)輸設(shè)備中的超低溫閥門進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，討論了超低溫閥門的材料選擇，分析研究了閥門的各個(gè)子元素結(jié)構(gòu)，討論了設(shè)計(jì)的必要性，并針對介質(zhì)特性提出了閥門中關(guān)鍵部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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[2]孫奇，肖箭，鄧德偉.液化天然氣用超低溫閥門的設(shè)計(jì)與研究[J].閥門，2013（1）：6-11.

[3]吳堂榮，唐勇，孫曄，等.LNG船用超低溫閥門設(shè)計(jì)研究[J].船舶工程，2010，32：73-78.