LNG聯(lián)運(yùn)罐箱用緊急切斷閥設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

周世豪，李 成，張新奇，余 巍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第725研究所，河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引 言

LNG罐箱多式聯(lián)運(yùn)是以LNG罐式集裝箱作為能源商品，集合水路、陸路多種運(yùn)輸方式，實(shí)現(xiàn)“一罐到底”直達(dá)終端用戶(hù)，具有“宜儲(chǔ)易運(yùn)”，靈活性強(qiáng)特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)公路、鐵路、水運(yùn)之間無(wú)中間環(huán)節(jié)的便利國(guó)際聯(lián)運(yùn)。目前，LNG罐箱多式聯(lián)運(yùn)備受業(yè)內(nèi)青睞，國(guó)內(nèi)LNG產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的相關(guān)企業(yè)均已開(kāi)始布局相關(guān)業(yè)務(wù)。就國(guó)內(nèi)而言，LNG罐箱多式聯(lián)運(yùn)可低成本、規(guī)?；竭_(dá)目前天然氣管網(wǎng)無(wú)法覆蓋的區(qū)域，不僅可顛覆性解決LNG能源的運(yùn)輸問(wèn)題，未來(lái)還將高效、低成本打通國(guó)際資源與國(guó)內(nèi)終端客戶(hù)連通渠道，成為傳統(tǒng)LNG模式的有效補(bǔ)充。緊急切斷閥作為L(zhǎng)NG聯(lián)運(yùn)罐箱安全附件之一，通過(guò)氣動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作以及緊急情況下(著火、溫度異常等)的自動(dòng)切斷功能，是保證罐箱安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵配套設(shè)備[1-3]。

為提高緊急切斷閥在車(chē)載低溫工況的穩(wěn)定性和安全性，筆者設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的LNG聯(lián)運(yùn)罐箱低溫緊急切斷閥，并介紹了其工作原理、結(jié)構(gòu)組成及材料選擇等，對(duì)閥門(mén)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核計(jì)算。并通過(guò)低溫性能試驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為低溫緊急切斷閥的設(shè)計(jì)與研究提供了一種新的參考。

1 低溫緊急切斷閥設(shè)計(jì)

1.1 新型低溫緊急切斷閥組成

常規(guī)氣缸結(jié)構(gòu)的低溫緊急切斷閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣缸結(jié)構(gòu)低溫緊急切斷閥

主要由閥體、閥瓣、長(zhǎng)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(mén)往往呈現(xiàn)“細(xì)長(zhǎng)頸”和“兩頭重、重心高”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，易造成管路負(fù)荷較大、安裝空間浪費(fèi)等問(wèn)題。同時(shí)，由于LNG槽車(chē)在高速行駛過(guò)程中，其動(dòng)力系統(tǒng)自身產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致LNG充裝管路和配套閥門(mén)不可避免的出現(xiàn)振動(dòng)。因此，緊急切斷閥在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在異常振動(dòng)現(xiàn)象，整閥往往因受力集中而引起閥門(mén)的泄漏、失效，從而誘發(fā)嚴(yán)重的安全事故[4-6]。

圖2 膜片式結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)了一種新型膜片式結(jié)構(gòu)的低溫緊急切斷閥，閥門(mén)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(duì)開(kāi)環(huán)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(tái)緊密接觸，可隨閥桿上下運(yùn)動(dòng)，從而改變彈簧預(yù)緊力的大小。填料壓套在閥桿上通過(guò)螺紋連接在填料函上，同時(shí)壓緊填料組，用內(nèi)外三組O形圈分別與填料函和閥桿實(shí)現(xiàn)內(nèi)外密封，防止雜質(zhì)進(jìn)入而影響填料密封效果；填料函與閥蓋上法蘭通過(guò)螺柱、螺母和彈簧墊圈連接在一起，并由密封墊片進(jìn)行密封。填料組件實(shí)現(xiàn)對(duì)閥蓋上法蘭和閥桿的密封，確保介質(zhì)不因閥桿運(yùn)動(dòng)而泄漏。緊急切斷閥上蓋、膜片和下蓋通過(guò)螺栓連接，組成密閉的膜腔，膜片組件在膜腔內(nèi)與閥桿通過(guò)薄螺母連接在一起，并通過(guò)O型圈實(shí)現(xiàn)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(guò)螺桿螺紋傳動(dòng)，膜片組件向上運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)閥桿、閥瓣向上移動(dòng)，閥門(mén)開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)緊急切斷閥手動(dòng)開(kāi)啟。在正常工作狀態(tài)時(shí)，手輪單獨(dú)存放，以防止人員誤操作，只有在系統(tǒng)故障或閥門(mén)檢修時(shí)，允許操作人員用手輪進(jìn)行閥門(mén)啟閉，手動(dòng)開(kāi)啟閥門(mén)后氣動(dòng)功能自動(dòng)失效，手動(dòng)復(fù)位后方可氣動(dòng)控制，以保證整個(gè)管系運(yùn)行的安全性和可靠性等。

1.2 工作原理

LNG聯(lián)運(yùn)罐箱低溫緊急切斷閥通過(guò)焊接方式與管路系統(tǒng)連接。空載狀態(tài)時(shí)，在彈簧的預(yù)緊力作用下，通過(guò)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(mén)的關(guān)閉；工作時(shí)，向膜腔內(nèi)充入壓縮氣體，在氣源壓力作用下，膜片克服彈簧力向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥桿及閥瓣向上，閥門(mén)打開(kāi)；當(dāng)處于開(kāi)啟狀態(tài)的閥門(mén)，周?chē)h(huán)境溫度升高至70±5 ℃時(shí)，易熔塞熔化，膜腔內(nèi)壓縮氣體排放，膜片失壓，閥桿在彈簧力的作用下向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)閥瓣迅速向下關(guān)閉閥門(mén)，切斷管路內(nèi)介質(zhì)的繼續(xù)排放，防止危險(xiǎn)發(fā)生或擴(kuò)大。

1.3 低溫緊急切斷閥材料選擇

根據(jù)低溫緊急切斷閥的工況和使用要求，閥門(mén)的承壓部件如閥體、閥蓋等大多選用金相組織比較穩(wěn)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(nèi)件選用06Cr19Ni10棒材，閥瓣密封圈選用耐低溫性能優(yōu)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(nèi)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(duì)開(kāi)環(huán)等選用耐磨且低溫性能優(yōu)良的銅合金材質(zhì)[7]。

1.4 膜片式低溫緊急切斷閥特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的氣缸型結(jié)構(gòu)，新設(shè)計(jì)的膜片式低溫緊急切斷閥具有以下特點(diǎn)：①?gòu)椈膳c膜片分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將彈簧安裝在長(zhǎng)頸接管內(nèi)，滿(mǎn)足低溫工況下所要求的連接管高度的同時(shí)，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(shè)計(jì)總高度縮短了1/3左右；②采用膜片式結(jié)構(gòu)執(zhí)行器，大大降低了執(zhí)行器部分的整體重量，從而使整閥的質(zhì)量也減輕了1/3左右；③彈簧安裝在長(zhǎng)頸接管內(nèi)，接管直徑增大，使閥門(mén)從上至下質(zhì)量較為均衡，降低閥門(mén)因車(chē)載頻繁振動(dòng)而引起泄漏、失效的風(fēng)險(xiǎn)；④閥桿部位采用聚四氟乙烯加柔性石墨組合型填料+內(nèi)外O形圈多重密封結(jié)構(gòu)，提高了閥桿密封可靠性。

2 低溫緊急切斷閥設(shè)計(jì)計(jì)算

對(duì)低溫緊急切斷閥主要零部件進(jìn)行校核計(jì)算[8-9]。

2.1 閥體壁厚計(jì)算

(1)

式中：tB′為計(jì)算厚度，mm；p為計(jì)算壓力，PN設(shè)計(jì)給定，MPa；Dn為計(jì)算內(nèi)徑，設(shè)計(jì)給定，mm；[σL]為許用拉應(yīng)力，查表，MPa；C為腐蝕余量，C取5.0 mm，設(shè)計(jì)給定，mm；tB為實(shí)際厚度，設(shè)計(jì)給定，mm。

通過(guò)計(jì)算可知，閥體選用奧氏體不銹鋼CF8鑄件時(shí)，計(jì)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(shí)際壁厚為7.0 mm，滿(mǎn)足要求。

2.2 密封比壓的計(jì)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(jì)算：

(2)

式中：QMJ為密封面處介質(zhì)力，N；QMF為密封面上密封力，N；DMN為密封面內(nèi)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(guò)計(jì)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(jì)算：

(3)

密封面材料為PCTFE，需用比壓[q]=50 MPa，qMF

介質(zhì)從閥瓣上方流入時(shí)，閥桿最大軸向力在開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生，按下式計(jì)算：

QFZ″=QMJ+QT-QP

(4)

式中：QFZ″為開(kāi)啟瞬時(shí)的閥桿總軸向力，N；QMJ為關(guān)閉時(shí)作用在閥瓣上的介質(zhì)力，N；QT為閥桿與填料間的摩擦力，N；Qp為介質(zhì)作用在閥桿上的軸向力，N；QT=πdFhTμTp，通過(guò)計(jì)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(shù)，μT取0.1；Qp=πdF2p/4，通過(guò)計(jì)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(zhì)從閥瓣上方流入時(shí)，閥桿最大軸向力在開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生，閥桿軸向合力按下式計(jì)算：

F1=F2+Fm

(5)

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

其中，F(xiàn)m=QMF=3 088 N；F2=QFZ″=6 568 N

(2) 彈簧壓力FT計(jì)算

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

取1.1倍安全系數(shù)，彈簧預(yù)緊力取10 621.6 N。

2.4 閥桿強(qiáng)度校核

閥桿所受的最大力為壓力，拉壓應(yīng)力按式校核：

σ=F1/S≤[σ]

(6)

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

2.5 閥蓋與閥體連接螺栓強(qiáng)度計(jì)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(zhì)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(nèi)徑，取65 mm；qMF為墊片必須比壓，取值為7.3 MPa。通過(guò)計(jì)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(wú)法直接實(shí)現(xiàn)，必須通過(guò)螺母的擰緊力矩來(lái)得到。螺母的擰緊力矩由三部分組成：由升角產(chǎn)生，用于產(chǎn)生預(yù)緊力使螺栓桿伸長(zhǎng)；螺紋副摩擦；支撐面摩擦。所需擰緊力矩T的計(jì)算公式為：

T=K×P×d

(8)

式中：K為扭矩系數(shù)，取0.15；P為螺栓預(yù)拉應(yīng)力，kN；d為螺栓的螺紋公稱(chēng)直徑，mm；通過(guò)計(jì)算，擰緊力矩T=55.14N·m。

2.6 彈簧的計(jì)算

緊急切斷閥中彈簧的預(yù)緊力主要是壓縮預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)閥芯關(guān)閉，彈簧預(yù)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(shù)取6.5，則剛度K=123 N/mm，自由高度130 mm，預(yù)壓縮量16 mm，節(jié)距P=17.7 mm。

2.7 膜片驗(yàn)算

緊急切斷閥所需膜片驅(qū)動(dòng)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(xiàn)≥6 737.2 N。

所需信號(hào)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(mǎn)足要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

開(kāi)展低溫緊急切斷閥的低溫密封試驗(yàn)考核，具體試驗(yàn)裝置組成如圖3所示。將研制樣機(jī)放入液氮杜瓦槽內(nèi)，保證液氮蓋住閥體與閥蓋連接上端，冷卻過(guò)程中保持閥門(mén)充氣。待浸泡各處的溫度穩(wěn)定在-196 ℃時(shí)，閥內(nèi)沖入氦氣進(jìn)行密性試驗(yàn)。此時(shí)，用試驗(yàn)前布置的各組熱電偶，監(jiān)測(cè)閥內(nèi)、閥體、閥蓋填料函處溫度，緊急切斷閥具體試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示。

圖3 低溫試驗(yàn)裝置組成1.氦氣瓶 2.調(diào)節(jié)閥 3.遠(yuǎn)控閥 4.壓力表 5.保溫蓋 6.液氮槽 7.蛇形管 8.被測(cè)閥 9.液氮 10.針閥 11.計(jì)泡器 12.流量計(jì)

圖4 低溫緊急切斷閥試驗(yàn)過(guò)程

表1 低溫緊急切斷閥試驗(yàn)結(jié)果

緊急切斷閥具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所列，低溫狀態(tài)下閥門(mén)開(kāi)啟氣源壓力P<0.6 MPa，動(dòng)作時(shí)間t<5 s，閥門(mén)啟閉靈活、無(wú)卡阻。低溫狀態(tài)下研制樣機(jī)的密封、動(dòng)作及驅(qū)動(dòng)氣源壓力指標(biāo)滿(mǎn)足GB/T 24918-2010低溫介質(zhì)用緊急切斷閥要求[10]，且低溫試驗(yàn)時(shí)填料函底部熱電偶溫度顯示為3.2 ℃，滿(mǎn)足填料函部位的溫度在0 ℃以上的設(shè)計(jì)要求。通過(guò)研制樣機(jī)低溫性能試驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為低溫緊急切斷閥的設(shè)計(jì)與研究提供了新的參考。

4 結(jié) 語(yǔ)

為滿(mǎn)足LNG聯(lián)運(yùn)罐箱運(yùn)輸、貯存系統(tǒng)中的安全防護(hù)使用要求，文中通過(guò)設(shè)計(jì)一種彈簧膜片分離式結(jié)構(gòu)低溫緊急切斷閥，并對(duì)其工作原理、結(jié)構(gòu)組成、材料選擇及其特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)描述，對(duì)閥門(mén)的關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核計(jì)算。另外，對(duì)低溫緊急切斷閥研制樣機(jī)進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明在低溫狀態(tài)下樣機(jī)的密封、動(dòng)作及驅(qū)動(dòng)氣源壓力等技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足GB/T 24918-2010低溫介質(zhì)用緊急切斷閥要求，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可靠性，為同類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)提供了一種新的思路。