簡述LNG上裝式超低溫球閥的解決方案

段大軍，何 武，李松嶺

（重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400700）

0 引言

天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，很多國家都將LNG列為首選燃料，天然氣在能源供應(yīng)中的比例迅速增加。液化天然氣正以每年約12%的高速增長，成為全球增長最迅猛的能源行業(yè)之一。中國天然氣利用極為不平衡，天然氣在中國能源中的比重很小。從中國的天然氣發(fā)展形勢來看，天然氣資源有限，天然氣產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需求，供需缺口越來越大。盡管還沒有形成規(guī)模，但是LNG的特點(diǎn)決定LNG發(fā)展非常迅速。近年來，國內(nèi)LNG在天然氣供應(yīng)中的比例增加迅速，占比從2006年的1.6%提高到2016年16.6%。第一座LNG接收站廣東大鵬LNG接收站于2006年建成投產(chǎn)，目前已建成液化天然氣接收站11座，LNG接收能力達(dá)到4380萬噸/年。2017年，國內(nèi)天然氣消費(fèi)量超過2351億立方米，同比增長近15%，其中LNG進(jìn)口量達(dá)到3940萬噸，比上年增長46%，成為全球第二大LNG進(jìn)口國。另外，中國正逐漸成為世界上最大的加工廠，閥門產(chǎn)品的加工制作面臨更大的發(fā)展空間。由此可見，只要企業(yè)能夠抓住機(jī)遇，加強(qiáng)研發(fā)能力，不斷提高產(chǎn)品科技含量和產(chǎn)品質(zhì)量，就能在激烈的市場競爭中占據(jù)主動地位。在此市場背景下，公司擬自主開發(fā)具有在線維修功能的LNG低溫蝶閥系列，打破技術(shù)瓶頸，將獲得新的利潤。打破超低溫蝶閥依賴進(jìn)口的歷史，打開LNG在在線維修低溫蝶閥在乙烯，液化天然氣裝置，天然氣LPG、LNG儲罐，空分設(shè)備，石油化工尾氣分離設(shè)備，液氧、液氮、液氬、二氧化碳低溫貯槽及槽車、變壓吸附制氧等裝置的市場。

1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)及參數(shù)

工況特點(diǎn)：溫度：-196℃；壓力：Class900；泄漏等級：BS6364；易燃易爆

1）如何在超低溫狀態(tài)下，降低閥門開關(guān)力矩，防止閥門卡澀。

2）如何提高閥座密封結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提高閥門的使用壽命。在超低溫環(huán)境下，閥門零件由溫度變化而收縮，但其收縮量不易控制，進(jìn)而導(dǎo)致閥門內(nèi)漏，造成大量能源浪費(fèi)和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

3）如何確保超溫下核心零部件的穩(wěn)定性。

4）參數(shù)。

◆ 本產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：① GB/T 24925-2010《低溫閥門技術(shù)條件》；② S6364《低溫用閥門》③ ASME B16.34《法蘭端、螺紋端和焊接端閥門》； ④ API598《閥門的檢查和測試》

◆ 公稱壓力：Class150 ～ Class1500

◆ 公稱通徑：DN25～ DN600

◆ 適用溫度：-196℃～+150℃

◆ 使用壽命：10000次

2 解決方案

本設(shè)計(jì)提供了一種新型LNG超低溫上裝式球閥結(jié)構(gòu)，提高了閥門的穩(wěn)定性和安全性。其主要工作原理是在閥體內(nèi)部放置一個(gè)球芯，球芯通過閥桿和底軸來支撐和傳遞扭矩，在驅(qū)動力的作用下帶動球芯旋轉(zhuǎn)90°來切斷或開啟介質(zhì)流通。閥體兩側(cè)設(shè)置閥座，閥座與球芯的緊密接觸保證了球芯與閥座之間的密封。閥座背面設(shè)有閥座預(yù)緊彈簧，預(yù)緊彈簧裝入彈簧座內(nèi)，彈簧座固定在閥體上，通過預(yù)緊彈簧為球芯與閥座的緊密接觸提供穩(wěn)定的預(yù)緊力。閥座與閥體之間設(shè)計(jì)蓄能式密封圈，蓄能式密封圈內(nèi)自帶預(yù)緊彈簧。在介質(zhì)壓力下，密封可靠，蓄能式密封圈后端設(shè)計(jì)防火石墨，在介質(zhì)壓力下實(shí)現(xiàn)密封。球芯左端閥座蓄能式密封圈采用單活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，球芯右端閥座蓄能式密封圈采用雙活塞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，則中腔壓力只能向閥體左端泄壓。

采用CFD（計(jì)算流體力學(xué)）軟件模擬，對LNG超低球閥的核心零部件的溫度場、密封性能、球芯強(qiáng)度及閥桿強(qiáng)度進(jìn)行了詳細(xì)分析，以DN150 Class1500的球閥為例：

1）分析概況

工況參數(shù)：介質(zhì)溫度為-196℃，外界溫度為-20℃，閥前壓力為9.8Mpa，壓差為25Mpa，球芯卡死扭矩為12200N*m，閥座彈簧力9200N。

圖1 整機(jī)溫度分布圖Fig.1 Temperature distribution of the whole machine

圖2 常溫下閥座與球心密封面接觸云圖Fig.2 Contact cloud diagram of seat and center sealing surface at room temperature

模型概況：閥體材質(zhì)為C F 8 M，閥芯材質(zhì)為316+PCTFE+Ni50A，閥桿材質(zhì)為S20910，閥座閥體間隙量為0.083mm，閥座與球芯過盈量為0.2mm。

2）分析結(jié)果

圖1所示為LNG超低溫球閥在介質(zhì)溫度為-195℃、外界溫度為-20℃下的整機(jī)溫度分布云圖；閥桿與上閥蓋頂部溫度為-23.8℃，與環(huán)境溫度相差不大。

圖2所示為常溫下，在介質(zhì)壓力9.8Mpa、閥座彈簧力為9200N下，閥座與球心密封面接觸情況，其密封面接觸壓力分布在14Mpa左右，密封面無間隙。

圖3所示為低溫下，在介質(zhì)壓力9.8Mpa、閥座彈簧力為9200N下，閥座與球心密封面接觸情況，其密封面接觸壓力分布在10Mpa左右，密封面無間隙；相較于常溫狀態(tài)，密封面接觸壓力降低，密封性能降低。

圖3 低溫下閥座與球心密封面接觸云圖Fig.3 Contact cloud diagram of seat and center sealing surface at low temperature

圖5 閥桿應(yīng)力分布圖Fig.5 Valve rod stress distribution map

圖6 原設(shè)計(jì)溫度場分布圖Fig.6 Original design temperature field distribution map

圖4、圖5所示分別為球芯、閥桿在壓差為25Mpa，扭矩為12200N*m，球芯卡死狀態(tài)下的球芯與閥桿的應(yīng)力分布云圖。由圖4可知，球芯扁方處存在較大應(yīng)力，主要集中在198Mpa以下，依據(jù)其材質(zhì)為316，屈服強(qiáng)度為205Mpa可得，局部已發(fā)生屈服應(yīng)變，球芯主體可滿足使用要求；扁方處強(qiáng)度偏低，條件允許可加厚扁方，提高強(qiáng)度；由圖5可知，閥桿扁方處存在應(yīng)力集中，主體應(yīng)力集中在189Mpa以下，依據(jù)其材質(zhì)為S20910，屈服強(qiáng)度為380Mpa可得，閥桿強(qiáng)度可滿足要求。

3）加長閥蓋及滴水板結(jié)構(gòu)分析

按MESC SPE 77/200-2008殼牌標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)合有限元溫度場分析，重新進(jìn)行加長閥蓋設(shè)計(jì)并改制現(xiàn)有閥門，并通過粗略有限元分析計(jì)算出溫度場的變化，并確定保溫層和滴水板位置，再通過精確的有限元分析，得出閥蓋加長桿的高度，并出有限元溫度場分析報(bào)告。使原設(shè)計(jì)閥門加長桿高度減短，同時(shí)閥桿也減短，增加了閥桿轉(zhuǎn)動強(qiáng)度。通過計(jì)算閥桿在傳動位跳動0.01mm，每增加100mm長度，閥桿跳動量增加0.04mm。則閥芯跳動0.12mm，閥桿填料函位置跳動量則為0.005mm。從而保證在閥門開關(guān)時(shí)填料函兩端填料受力均布，減少閥門的微泄漏。

圖7 優(yōu)化設(shè)計(jì)后溫度場分布圖Fig.7 Temperature field distribution after optimized design

通過對超低溫閥門滴水板位置、蒸汽空間長度的分析，優(yōu)化選定蒸汽空間長度，加長保溫套長度，滴水板位置不變的模型并進(jìn)行分析，得到在正常工況下該模型填料函底部的溫度，在冷態(tài)試驗(yàn)工況下滿足超低溫球閥填料函在外部環(huán)境下處于0℃以上的要求，也達(dá)到了節(jié)省材料及留有余地的目的。

3 結(jié)論

近年來，隨著中國國民經(jīng)濟(jì)的高速和持續(xù)發(fā)展，環(huán)保壓力的持續(xù)高漲，LNG天然氣的需求出現(xiàn)大幅增長，目前已成為國內(nèi)重要的能源之一。國內(nèi)部分沿海城市大批量投入LNG接收站，對LNG超低溫球閥的需求量大幅增加，誰掌握了超低溫球閥技術(shù)，誰將獲得豐厚利潤而通過理論計(jì)算和CFD數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合，將大大縮短閥門的研發(fā)周期，為成功實(shí)現(xiàn)超低溫球閥的國產(chǎn)化奠定基礎(chǔ)。