低溫大口徑高壓上裝固定球閥設(shè)計(jì)分析

(圣博萊閥門有限公司，上海 201506)

LNG工廠、接收站、氣化站、煤氣化及空分裝置、煤制烯烴等項(xiàng)目中低溫大口徑高壓上裝固定球閥是作為關(guān)鍵設(shè)備來進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制，特別是壓力等級(jí)在15～25MPa的超低溫球閥，目前主要還是依賴進(jìn)口。

進(jìn)口的低溫球閥，尤其是高壓大口徑上裝球閥，不僅價(jià)格昂貴，而且采購周期長(zhǎng)，特別是關(guān)鍵閥門部件，一旦損壞，無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，使裝置的穩(wěn)定運(yùn)行受到嚴(yán)重制約。因此，此類閥門的國產(chǎn)化具有十分重要的意義。分析國內(nèi)現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化還具有一定難度，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)技術(shù)方面：主要表現(xiàn)在設(shè)計(jì)技術(shù)與國外廠商有一定差距，閥門設(shè)計(jì)可靠性不強(qiáng)，對(duì)閥門低溫材料的選擇未做深入研究，對(duì)閥門深冷狀態(tài)下的密封影響因素分析不足。

(2)制造方面：由于國內(nèi)企業(yè)在超低溫閥門設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域起步較晚，在零部件加工、產(chǎn)品組裝和公差選擇配合方面，還缺乏一定的理論研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，因此，需在這方面進(jìn)行大量的基礎(chǔ)工作。

現(xiàn)主要從設(shè)計(jì)方面分析NPS16 Class1500低溫大口徑高壓上裝固定球閥。

1 閥門低溫狀態(tài)下可靠性研究

采用失效模式與影響分析，對(duì)低溫閥門可靠性進(jìn)行研究；根據(jù)失效模式及對(duì)應(yīng)原因，分析可靠性薄弱環(huán)節(jié)并提出改進(jìn)措施。失效模式零(部)件匯總見表1。

表1 失效模式零(部)件匯總

1.1 閥體強(qiáng)度模擬分析

閥體為閥門的核心部件，通過有限元分析計(jì)算，旨在確定其壁厚是否滿足要求(見圖1)，確保零件應(yīng)力及各密封區(qū)域的應(yīng)變?cè)谠O(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

圖1 閥體應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

1.2 中法蘭強(qiáng)度模擬分析

該閥門口徑大、壓力高，閥蓋與閥體連接處的密封可靠性是關(guān)鍵，因此中法蘭強(qiáng)度須嚴(yán)格保證。通過有限元分析(見圖2)，以驗(yàn)證中法蘭強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 閥蓋應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

1.3 低溫狀態(tài)下的閥座與球體密封副強(qiáng)度及密封面比壓模擬分析

-196℃超低溫狀態(tài)下，零件收縮將導(dǎo)致尺寸參數(shù)的變化，因此，低溫密封狀態(tài)下其密封面比壓是否均勻、收縮是否協(xié)調(diào)一致，都將影響閥門在超低溫狀態(tài)下的密封性能。采用熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，計(jì)算出密封副的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)(見圖3)，驗(yàn)證尺寸參數(shù)是否滿足密封要求。密封面比壓分布見圖4。

圖3 密封副應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

圖4 密封面比壓分布云圖

1.4 加長(zhǎng)閥蓋溫度場(chǎng)模擬分析

閥蓋與閥桿之間主要采用軟性的柔性石墨和高分子聚四氟乙烯組合填料密封，為保證密封性能，填料應(yīng)有足夠的回彈性，因此，其工作溫度應(yīng)在零度以上，通過ANSYS溫度場(chǎng)分析以驗(yàn)證閥蓋加長(zhǎng)高度是否符合設(shè)計(jì)要求(見圖5)。低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NPS16閥蓋加長(zhǎng)高度要求的對(duì)比見表2。

圖5 加長(zhǎng)閥蓋溫度場(chǎng)分布云圖

表2 低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)對(duì)NPS16閥蓋加長(zhǎng)高度要求的對(duì)比

注：MSS SP-134標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的加長(zhǎng)閥蓋是指閥門中心線到填料函頂部的尺寸，在具體比較各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高度時(shí)，應(yīng)將該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值折算至其他標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一規(guī)定。

1.5 模擬分析結(jié)論

(1)從閥門有限元分析結(jié)果(見圖1)可以看出，閥體在強(qiáng)度試驗(yàn)壓力(1.5PN)37.5MPa條件下，各承壓區(qū)域應(yīng)力均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍內(nèi)。

(2)從圖2分析結(jié)果可以看出，中法蘭墊片密封處應(yīng)變極小，各區(qū)域應(yīng)力均在設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍內(nèi)。

(3)從圖3和圖4可以看出，在-196℃低溫工況時(shí)，球體、閥座在密封壓力作用下，密封面吻合良好，密封比壓足夠，其應(yīng)力均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍內(nèi)。

(4)加長(zhǎng)閥蓋在-196℃時(shí)的分布云圖見圖5。圖中分析的加長(zhǎng)高度是采用MESC SPE 77-200的規(guī)定，使填料函的溫度場(chǎng)在零度以上，可確保填料處于正常的工作溫度，保證了閥門的密封性能，因此，可判定閥門上閥蓋加長(zhǎng)高度合理，壁厚適當(dāng)能滿足工況要求。

2 閥門的結(jié)構(gòu)分析及改進(jìn)

在此次閥門研發(fā)設(shè)計(jì)中，針對(duì)許多行業(yè)內(nèi)的技術(shù)難題采取自主研發(fā)，大膽地對(duì)一些固有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)壁壘，減少了潛在的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 閥座的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

閥門內(nèi)置雙閥座，一只閥座單向密封，另一只閥座可雙向密封，在提高密封性能的同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)閥腔超壓時(shí)自動(dòng)泄放，泄壓方向(進(jìn)口端、出口端)可按實(shí)際工況要求指定，確保閥門使用安全。閥座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響到閥門的整機(jī)性能。球閥閥座處共有兩處泄漏通道，一處是閥座與球體之間的動(dòng)態(tài)密封；另一處是閥座與閥體內(nèi)孔處的靜態(tài)密封。動(dòng)態(tài)密封可通過閥座處的預(yù)緊彈簧實(shí)現(xiàn)初始低壓密封，并利用介質(zhì)的活塞效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)高壓密封。閥座靜態(tài)密封是采用自帶彈簧的蓄能密封圈來實(shí)現(xiàn)，由于蓄能密封圈對(duì)與之安裝配合的零部件的尺寸和精度要求極高，因此，對(duì)該處的閥座進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

優(yōu)化后，彈簧推動(dòng)閥座與球體形成密封，在蓄能圈作用下實(shí)現(xiàn)高壓密封(見圖6)。由于閥座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同，蓄能圈會(huì)在介質(zhì)壓力的波動(dòng)下有ΔL的移動(dòng)量，這個(gè)移動(dòng)量會(huì)對(duì)蓄能圈的密封性能產(chǎn)生有害影響(見圖7)。

圖6 優(yōu)化后的閥座密封結(jié)構(gòu)注：1—閥體；2—蓄能圈；3—彈簧；4—彈簧座5—閥座；6—球體；7—閥桿

圖7 優(yōu)化前的閥座密封結(jié)構(gòu)注：1—閥體；2—蓄能圈；3—彈簧；4—彈簧座5—閥座；6—球體；7—閥桿

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的閥門可在線維修，同時(shí)消除了蓄能密封圈安裝溝槽處的無效(有弊端)ΔL間隙，使得閥門的密封性能有了較大提升。

2.2 閥腔泄放口位置選取分析

頂端設(shè)置DBB低溫球閥泄放口，提高了閥門的逸散性泄漏等級(jí)，避免泄放口設(shè)計(jì)存在閥體底部產(chǎn)生外泄的風(fēng)險(xiǎn)。

圖8 泄放口頂端設(shè)置

雙隔斷雙泄放(DBB)是固定球閥的基本功能屬性，當(dāng)閥門在管道裝置上運(yùn)行、維護(hù)、保養(yǎng)、性能測(cè)試時(shí)，都會(huì)用到閥腔泄放口，而管道中的低溫閥門在外部均包有保冷材料，泄放口大都采用密封的管螺紋，而在溫度有交變的情況下，螺紋的預(yù)緊力和摩擦力會(huì)逐漸減小或瞬時(shí)消失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致泄放口螺紋失效，當(dāng)泄放口采用圖8所示設(shè)置，即泄放口移到頂部設(shè)計(jì)時(shí)，管道系統(tǒng)維護(hù)、保養(yǎng)將會(huì)非常方便。

2.3 蓄能密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蓄能密封圈是低溫球閥密封件中的核心零部件，圖9為優(yōu)化前、后的密封圈，優(yōu)化后的密封圈采用開槽金屬O形圈，外表面包覆PTFE唇邊的復(fù)合結(jié)構(gòu)，唇邊兩側(cè)設(shè)有齒形環(huán)槽，可形成多級(jí)密封，同時(shí)采用雙層彈簧支撐，可有效補(bǔ)償閥體、閥座在低溫工況下的收縮量，同時(shí)具有壓力自緊密封功能，且能降低閥體、閥座密封表面微觀不平整度對(duì)閥門密封性能的影響。

圖9 優(yōu)化后蓄能圈與傳統(tǒng)密封圈對(duì)比

優(yōu)化后的蓄能密封圈經(jīng)過多次工裝低溫測(cè)試，密封圈單一泄漏量由原來設(shè)計(jì)給定閥門泄漏總量的1/5降低至1/10，由此可得出，優(yōu)化效果顯著。

2.4 閥桿填料結(jié)構(gòu)優(yōu)化

球閥通過外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)閥桿帶動(dòng)球體旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉切斷功能，由于閥桿在低溫工況下的旋轉(zhuǎn)會(huì)對(duì)填料產(chǎn)生摩擦，加上壓力、溫度的變化使非金屬填料的材料老化，前述這些因素都會(huì)導(dǎo)致閥桿填料泄漏，甚至密封性能失效。優(yōu)化后的閥桿填料結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 優(yōu)化后的閥桿填料結(jié)構(gòu)注：1—閥桿；2—組合填料；3—填料壓套；4—填料壓板；5—緊固件；6—彈簧定量壓縮組合件

2.4.1逸散性填料組合結(jié)構(gòu)

圖10中組合填料最下端為蓄能圈，中間填料采用V型PTFE，上端采用低泄漏柔性石墨環(huán)組成。蓄能圈提供初級(jí)密封降低低溫介質(zhì)進(jìn)入下一級(jí)密封的可能，耐磨、抗擦傷V型PTFE填料提高了整體使用壽命，低泄漏柔性石墨的使用在保證密封的同時(shí)又具有防火功能。

2.4.2組合填料定量壓縮設(shè)計(jì)

圖10中組合填料由緊固件通過彈簧、填料壓板、填料壓套施加在填料上的預(yù)緊力來實(shí)現(xiàn)填料的最終密封，彈簧通過定量壓縮組合件使得彈簧壓縮量控制在最佳范圍，同時(shí)可提供更持久的彈性載荷，并延長(zhǎng)碟簧的使用。這種持久的彈簧力為扭矩的精確控制、填料的長(zhǎng)壽命使用創(chuàng)造有利條件。這種優(yōu)化的填料密封結(jié)構(gòu)可以滿足嚴(yán)苛的微泄漏國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3 低溫閥門密封面比壓經(jīng)驗(yàn)計(jì)算

必需比壓是為保證密封，在密封面單位面積上所需的最小比壓，必需比壓的取值與加工質(zhì)量、尺寸、材質(zhì)、工作壓力和溫度有關(guān)，預(yù)緊比壓的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算如下式：

其中，qMF為必需比壓；k為低溫系數(shù)，-46℃，k=1.1；-101℃，k=1.3；-196℃，k=1.6；a，c為與密封面材料有關(guān)的系數(shù)(見實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)表3-13)；P為流體的工作壓力，MPa；bm為密封面寬度，mm。

由于在低溫環(huán)境下密封面材質(zhì)屬性趨向脆性，同時(shí)密封副之間的吻合度也會(huì)降低，僅選取NPS4 Class300規(guī)格的工裝球閥分別在不同溫度下的密封性能實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，所測(cè)得的必需比壓值基本符合上式的計(jì)算結(jié)果。

4 密封圈材料選用

選取NPS4 Class300的工裝球閥，經(jīng)過多次開關(guān)壽命試驗(yàn)后，測(cè)得的密封泄漏量會(huì)顯著增加，試驗(yàn)用的工裝球閥閥座密封圈材料為PCTFE，解體后檢查外觀發(fā)現(xiàn)，密封圈表面有不同程度的損傷。對(duì)比了國產(chǎn)某品牌密封圈和進(jìn)口某品牌密封圈，兩個(gè)品牌的密封圈物理性能和壽命試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表3和圖11。

表3 密封圈PCTFE材料參數(shù)對(duì)比

圖11 閥座密封圈性能壽命試驗(yàn)

兩種品牌材料密封圈性能、壽命有一定差異，但比較表3發(fā)現(xiàn)，兩種材料的物理性能差異并不明顯，因此也希望國內(nèi)閥門廠家多做一些基礎(chǔ)研究，收集大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出密封圈材料與使用壽命之間的因果關(guān)系。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)低溫大口徑上裝固定球閥的模擬分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，以此分析低溫球閥在設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵影響因素，并首次提出在低溫工況下的密封面比壓計(jì)算中的低溫系數(shù)k值的選取。

綜上所述，長(zhǎng)周期、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行是評(píng)價(jià)大口徑低溫上裝球閥的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)，要在設(shè)計(jì)的源頭優(yōu)化各種不利因素，把從國外引進(jìn)的低溫閥門先進(jìn)技術(shù)理念與具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)方法結(jié)合起來，為大口徑高壓低溫上裝球閥的全面國產(chǎn)化打下良好基礎(chǔ)。