液化天然氣用低溫閥門關(guān)鍵技術(shù)研究綜述

尹婷婷，張中標(biāo)，王宇翔，羅世洪，李曉鐘

（中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610213）

0 引言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）產(chǎn)業(yè)鏈包括液化、儲運(yùn)、加氣、應(yīng)用等4個(gè)部分，每個(gè)部分均需用到大量低溫閥門。目前LNG關(guān)鍵設(shè)備用的閥門包括球閥、蝶閥、截止閥、止回閥、調(diào)節(jié)閥、安全閥等，基本依賴于進(jìn)口[1-4]。據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，閥門泄漏是LNG相關(guān)多起安全事故的主要原因，特別嚴(yán)重的是閥門泄漏直接導(dǎo)致LNG裝置停機(jī)甚至爆炸燃燒，由此可見低溫閥門的可靠性能對LNG產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展具有關(guān)鍵作用[5]。

LNG用低溫閥門應(yīng)用工況苛刻、安全性要求高，與常規(guī)閥門相比，除了遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則，還需要更可靠的密封技術(shù)與特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]。LNG用低溫閥門的密封性主要取決于密封材料的選擇、閥門部件的低溫處理技術(shù)及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[7-9]。LNG用低溫閥門的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括了長頸閥蓋設(shè)計(jì)、滴水板設(shè)計(jì)、自卸壓設(shè)計(jì)及防靜電設(shè)計(jì)等方面[5,10]。

本文基于LNG用低溫閥門的主要研究內(nèi)容，展開了工況特點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)分析，總結(jié)了低溫閥門在密封技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵點(diǎn)，并介紹了LNG用低溫閥門的發(fā)展趨勢，為研發(fā)具有高可靠性能的低溫閥門提供參考。

1 LNG閥門特性分析

1.1 工況特點(diǎn)

LNG是天然氣經(jīng)凈化、脫水和精制后，在-162 ℃、0.1 MPa環(huán)境下冷卻制成的一種無色液體，由大量甲烷、少許乙烷、少許丙烷及其它雜質(zhì)成分組成，在大氣環(huán)境中與空氣混合的體積占5%～15%時(shí)即可燃燒。

除此之外，LNG的蒸發(fā)氣密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周圍空氣的密度，氣液膨脹比高達(dá)600：1，即極少量的LNG液體可瞬間轉(zhuǎn)變成很大體積的氣體[11]。因此LNG閥門的運(yùn)行工況具有超低溫、氣液膨脹比大及易燃、易爆的特點(diǎn)。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

1）動(dòng)作可靠性。在超低溫高壓的工況下，LNG閥門在滿足靈敏的開啟、穩(wěn)定的排放、及時(shí)的回座和可靠的密封等基礎(chǔ)要求的同時(shí)，要保證其閥瓣、導(dǎo)向桿等運(yùn)動(dòng)部件不發(fā)生松弛和晃動(dòng)現(xiàn)象，對配合間隙、選材、深冷處理和機(jī)械加工精度等工藝的要求極高。這是一個(gè)多因素、多水平的綜合問題，難以找到滿足所有要求的最優(yōu)解。

2）密封可靠性。因LNG具有易燃、易爆性，LNG用閥門對密封性能的要求比一般閥門更高[12]。在超低溫、高壓工況下，LNG用閥門部件的韌性下降、冷脆性升高，導(dǎo)致力學(xué)性能改變，同時(shí)部件材料易發(fā)生相變，導(dǎo)致部件尺寸變化，最后致使閥門的密封性能減弱。因此，對于LNG用低溫閥門來說，建立可靠密封、防止內(nèi)泄漏與外泄漏是目前急需解決的技術(shù)難點(diǎn)。

2 密封技術(shù)

2.1 密封副材料

在設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)時(shí)，合理的密封材料對保證密封性能具有關(guān)鍵作用[13]。目前國內(nèi)外使用最多的密封副材料主要包括以下兩種[14]。

1）金屬材料對非金屬材料的非金屬密封副。此類密封副不需要太高的密封比壓。但在低溫環(huán)境下，非金屬材料與金屬材料的膨脹比差異較大，密封性能較弱。為解決此問題，可通過改變結(jié)構(gòu)與工藝，將非金屬材料部分的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為具有相同功能的金屬結(jié)構(gòu)或金屬與非金屬的混合結(jié)構(gòu)，提高其密封性。如閥座密封采用唇形密封圈，將金屬彈簧外包裹一層非金屬材料，進(jìn)而為內(nèi)部金屬彈簧提供預(yù)緊力，外部非金屬材料保證密封的雙重效果，即使在低溫工況下也能保證工作穩(wěn)定可靠[15-16]。

2）金屬材料對金屬材料的金屬密封副。此類密封副在低溫環(huán)境中硬度增加，韌性下降。針對此問題，目前低溫閥門材料一般使用在-100 ℃以下仍具有較好韌性的奧氏體不銹鋼材料。但奧氏體不銹鋼材料在常溫向低溫變化的工況中性能不穩(wěn)定，易發(fā)生相變，導(dǎo)致密封材料變形，密封性能下降[17-18]。因此，為了有效防止低溫對密封造成不利影響，應(yīng)選擇在常溫與低溫均具有較高穩(wěn)定性的材料。如使用進(jìn)行低溫處理后的奧氏體不銹鋼材料，此時(shí)奧氏體不銹鋼材料內(nèi)部的馬氏體得到充分轉(zhuǎn)變，具有高穩(wěn)定性[19]。

2.2 低溫處理工藝

奧氏體不銹鋼材料雖然在低溫下處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是在常溫下穩(wěn)定性較低，當(dāng)工作溫度從常溫降到低溫時(shí)，材料發(fā)生相變，導(dǎo)致零件尺寸變化。為保證低溫閥門具有良好的密封性能，奧氏體不銹鋼作為目前低溫閥門的關(guān)鍵密封副材料需要做2次深冷處理，以確保馬氏體的充分轉(zhuǎn)變。第一次深冷處理后試樣的變形量比較大，第二次深冷處理后尺寸最大變形量有明顯的降低，進(jìn)一步保證奧氏體不銹鋼材料的穩(wěn)定性。此外，LNG用超低溫閥門的閥體、閥蓋、閥瓣、閥座、閥桿等關(guān)鍵零件均須進(jìn)行深冷處理，防止材料因發(fā)生組織轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生尺寸變化，提高精加工穩(wěn)定性與精度[20]。

2.3 填料函密封

由以上的分析可以看出，非金屬密封副與金屬密封副均存在局限性，難以在低溫的工況下保持良好的密封性能。針對此問題，在低溫閥門的閥桿與閥體間常通過設(shè)計(jì)填料函結(jié)構(gòu)與波紋管結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)密封[21]。由于單層波紋管結(jié)構(gòu)壽命短，多層波紋管結(jié)構(gòu)成本高，所以波紋管密封結(jié)構(gòu)在低溫閥門中應(yīng)用較少。然而填料函密封結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，在維護(hù)方面具有明顯優(yōu)勢，在低溫閥門中廣泛應(yīng)用。

填料函的填充物溫度一般高于-40 ℃，若環(huán)境溫度過低則會導(dǎo)致填充物與填料函之間的溫差增大，使填料物的彈性降低，難以保證填充物與閥桿間密封性[22]。如低溫閥門在工作過程中產(chǎn)生介質(zhì)泄漏，導(dǎo)致填料和閥桿之間接觸面結(jié)冰，使閥門失去原有的密封性。

為保證填料的環(huán)境溫度高于0 ℃，低溫閥門常設(shè)計(jì)長頸閥蓋結(jié)構(gòu)以使填料函遠(yuǎn)離低溫介質(zhì)。同時(shí)，選擇一些耐低溫的填料，如聚四氟乙烯、石棉、柔性石墨等材料。但因石棉無法避免滲透性泄漏，聚四氟乙烯易發(fā)生冷流，難以應(yīng)用于低溫閥門。柔性石墨填料具有耐低溫、滲透系數(shù)低、熱膨脹率低等優(yōu)點(diǎn)，且能有效減少填料與閥桿之間的摩擦，被廣泛使用于低溫閥門[9]。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 長頸閥蓋

為避免填料出現(xiàn)冷脆和嚴(yán)重冷流，采用加長閥蓋結(jié)構(gòu)使填料部位遠(yuǎn)離低溫介質(zhì)，保證低溫閥閥桿與閥體之間的密封性[10，23]。

填料函溫度的關(guān)鍵影響因素主要有頸部長度、閥蓋壁厚及與閥桿之間空隙等。此類尺寸參數(shù)可通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范查詢，也可根據(jù)試驗(yàn)、有限元分析的方法進(jìn)行計(jì)算[24-26]。如基于有限元方法，建立包含材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積及表面散熱系數(shù)等因素的物理模型，進(jìn)而計(jì)算閥蓋的頸長[27-28]。

3.2 滴水板結(jié)構(gòu)

滴水板相當(dāng)于一塊圓形的隔溫板，一般焊接在填料函下部的長頸上，具有減緩閥體溫度向填料函及閥體上端傳遞的作用[29]。通過對有無滴水板的閥門進(jìn)行溫度場模擬，發(fā)現(xiàn)有滴水板的閥門閥蓋上端的溫度明顯升高。為實(shí)現(xiàn)低溫閥門的緊湊型設(shè)計(jì)，在保證填料部位和閥桿上部零件的溫度仍在0 ℃以上的基礎(chǔ)上，可適當(dāng)降低長頸閥蓋的高度，縮小閥門總體積[30]。

3.3 自卸壓結(jié)構(gòu)

當(dāng)LNG用低溫閥門關(guān)閉后，殘留在閥腔中的少量LNG液體通過吸收環(huán)境中的熱量而發(fā)生氣化，產(chǎn)生高壓作用于閥腔，引起閥體、閥蓋變形，密封性能下降。因此，可按內(nèi)部泄放法和外部泄放法，在LNG用低溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)卸壓孔。內(nèi)部泄放法是指將閥蓋和閥體空腔內(nèi)的壓力泄放到閥門進(jìn)口端，進(jìn)而獲得更高的比壓來增強(qiáng)密封[31]。外部泄放法是指在中腔閥體外部管路上安裝減壓閥來實(shí)現(xiàn)卸壓。

3.4 防靜電結(jié)構(gòu)

針對LNG介質(zhì)的易燃、易爆性，為了防止出現(xiàn)事故，在LNG閥門設(shè)計(jì)時(shí)必須排除靜電聚集的情況。當(dāng)密封件材料存在非金屬時(shí)，須通過在閥桿與閥體、閥桿與關(guān)閉件之間設(shè)置金屬導(dǎo)通裝置引出靜電。常規(guī)靜電導(dǎo)通裝置通過開孔組裝彈簧和鋼珠實(shí)現(xiàn)金屬接觸。當(dāng)密封件材料全為金屬時(shí)，為保證接電連續(xù)性，需在閥門裝配完成后測量關(guān)鍵零部件間的電阻值是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]。

4 發(fā)展趨勢探討

隨著LNG新能源的不斷發(fā)展，LNG用低溫閥門裝備的市場需求量越來越大[32-33]。在國內(nèi)LNG項(xiàng)目中，國產(chǎn)閥門及關(guān)鍵部件的市場占有量較少，基本依賴進(jìn)口。然而，國外LNG閥門更新?lián)Q代快，難以及時(shí)買到，因此對LNG用超低溫閥門發(fā)展趨勢進(jìn)行探討，可為LNG用超低溫閥門的國產(chǎn)化研制提供有力參考[34]。

要突破LNG用低溫閥門的設(shè)計(jì)、制造關(guān)鍵技術(shù)，必須基于LNG超低溫的特殊工況，在密封技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對LNG用超低溫閥門進(jìn)行深入研究。在密封技術(shù)方面，LNG系列閥門的低溫密封材料、低溫處理技術(shù)及密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究是目前需要更進(jìn)一步解決的關(guān)鍵問題。在研發(fā)-162 ℃下仍具有高穩(wěn)定性的耐低溫材料基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步研究LNG用低溫閥門部件適用的低溫處理技術(shù)，減小部件在低溫下的變形，保證閥門的可靠密封。為了進(jìn)一步加強(qiáng)密封，關(guān)閉件之間的密封結(jié)構(gòu)需要考慮溫度的影響，增加填料函結(jié)構(gòu)、唇形密封圈等特殊結(jié)構(gòu)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，為了應(yīng)對低溫工況，LNG閥門的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)及滴水板結(jié)構(gòu)需要向高隔溫性能方向優(yōu)化。針對LNG介質(zhì)的大膨脹系數(shù)與易燃、易爆特點(diǎn)，中腔卸壓結(jié)構(gòu)與防靜電結(jié)構(gòu)必不可少。

5 結(jié)語

本文基于LNG用超低溫閥門的工況特點(diǎn)與技術(shù)難點(diǎn)，總結(jié)了低溫閥門在密封技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵點(diǎn)，并介紹了LNG用低溫閥門的發(fā)展趨勢，具體如下：1）要突破LNG超低溫閥門的設(shè)計(jì)、制造關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)鍵點(diǎn)在于提高LNG用低溫閥門的密封可靠性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；2）在密封性能方面，首先需要加強(qiáng)研發(fā)在低溫與常溫下均具有高穩(wěn)定性的閥門承壓材料，其次是突破可加強(qiáng)閥門密封性能的材料低溫處理技術(shù)與填料函等關(guān)鍵技術(shù)；3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，LNG閥門的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)及滴水板結(jié)構(gòu)需要向高隔溫性能方向優(yōu)化，尤其對中腔卸壓結(jié)構(gòu)與防靜電結(jié)構(gòu)優(yōu)化必不可少。