一、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計(jì)改進(jìn)方案前言 液化天然氣(LNG)是一種清潔、高效的能源。在環(huán)境問(wèn)題日益顯著的背景下，天然氣作為清潔能源越來(lái)越受到青睞。由于這一趨勢(shì)，天然氣應(yīng)用技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，在液化天然氣因其高效而被經(jīng)常使用的運(yùn)輸領(lǐng)域尤其如此。我國(guó)近年來(lái)也越發(fā)注重對(duì)LNG的引進(jìn)，在沿海布置了大量的LNG接收站，而LNG從生產(chǎn)到消費(fèi)的整個(gè)流程中，需要用到大量的閥門，該類閥門屬于超低溫閥門之一。做為近年來(lái)發(fā)展迅速的蝶閥來(lái)說(shuō)，在LNG的運(yùn)用中也越發(fā)重要起來(lái)。而國(guó)內(nèi)對(duì)LNG用超低溫蝶閥仍然是一空白。為此，研制開(kāi)發(fā)LNG用超低溫蝶閥勢(shì)在必行。該系列閥門主要針對(duì)LNG工況介質(zhì)，公稱壓力150～600lb(1lb=0.454kg)，設(shè)計(jì)使用溫度-196℃，公稱通徑DN200～DN1000。 
常規(guī)三偏心蝶閥結(jié)構(gòu)形式在常溫或高溫工況下,閥門結(jié)構(gòu)形式可以滿足密封泄漏要求,保證正常開(kāi)啟應(yīng)用.但是,在深冷工況下易發(fā)生蝶閥由于低溫情況閥桿卡滯,下部端蓋積液結(jié)冰抱死,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)不暢,且泄漏等級(jí)無(wú)法滿足工況要求.因此,基于三偏心蝶閥傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式加以研發(fā)設(shè)計(jì)改進(jìn)完善,通過(guò)閥座密封材質(zhì)選擇,上部閥桿密封彈簧蓄能圈及下部閥桿防積液轉(zhuǎn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)改進(jìn),在深冷工況下確保蝶閥轉(zhuǎn)動(dòng)自如,且各項(xiàng)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求. 
二、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計(jì)改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
LNG超低溫蝶閥根據(jù)使用工況的要求，有法蘭、凸耳、對(duì)夾及對(duì)焊等連接方式。但由于LNG的著火性和爆炸性，其系統(tǒng)設(shè)備配套的LNG低溫閥門的安全性、可靠性比普通低溫閥門的要求更高，并且要求具有耐火設(shè)計(jì)。因此，LNG超低溫蝶閥主管線多采用對(duì)焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)焊結(jié)構(gòu)的LNG超低溫蝶閥主要包括帶檢修孔的閥體、檢修閥蓋、蝶板、閥桿和填料壓套加長(zhǎng)部分等零部件組成。
1.閥體
由于蝶閥的密封副均位于流體之中，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行必然導(dǎo)致密封圈的磨損，隨之而來(lái)的是閥門密封性能下降，因此對(duì)焊連接蝶閥的維修是一個(gè)必須解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的蝶閥維修有兩種方法，一種是直接將整個(gè)閥體從管線上卸下，才能從側(cè)向取出進(jìn)行密封機(jī)構(gòu)的更換;另一種是在閥門頂部設(shè)有閥蓋，在維修時(shí)，將整個(gè)閥蓋連同蝶板、閥桿等機(jī)構(gòu)整體從閥體中取出，實(shí)現(xiàn)蝶板密封件的在線更換。顯然采用對(duì)焊結(jié)構(gòu)，前一種閥門只能將管道切割才能維修，其成本和效果較差;而后一種維修也比較困難，并且不易保證精度。因此，在研制LNG超低溫蝶閥時(shí)，在閥體上設(shè)置了檢修孔，既能實(shí)現(xiàn)不用將整個(gè)閥體從流體管線中拆卸下來(lái)，也不需將閥桿和閥瓣有連接的部件都拆卸下來(lái)，即可更換閥體上的閥座和閥瓣的密封件，使閥門在線維修變得更方便、快捷。
2.密封副
閥體上的閥座依靠鑲嵌在閥體槽內(nèi)的壓環(huán)和螺釘固定于閥體上，蝶板主要由蝶板本體、壓板以及密封件組合而成，閥座與蝶板上的密封件構(gòu)成密封副。由于LNG常壓下的溫度為-162℃，因此密封副的設(shè)計(jì)采用了金屬與非金屬材料復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。
三、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計(jì)改進(jìn)方案技術(shù)特點(diǎn)
超低溫閥門設(shè)計(jì)除了遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則外，還有一些特殊的要求。
首先，應(yīng)考慮閥門的主要部件應(yīng)能承受持久的或瞬間的很大的溫度變化而引起的應(yīng)力;而且在壓力和溫度交變下的各種載荷的作用力，不應(yīng)出現(xiàn)明顯的彈塑性變形。設(shè)計(jì)時(shí)除了對(duì)閥體、閥蓋進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算外，還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗振分析等來(lái)確保閥門產(chǎn)品的可靠性，所以LNG超低溫蝶閥均以低碳奧氏體不銹鋼(CF3、CF3M)為主體材料，其耐低溫性、耐壓性、耐磨、耐蝕、焊接性、強(qiáng)度、沖擊韌度、相對(duì)伸長(zhǎng)率及組織穩(wěn)定性等均優(yōu)于其他材質(zhì)。其次，在滿足強(qiáng)度、剛度要求的情況下，應(yīng)力求零件的重量小，以減小熱傳導(dǎo)損失。再次，由于低溫工況下閥體所承受的溫度應(yīng)力、連接管道的膨脹和收縮附加應(yīng)力都很大，為了防止低溫時(shí)應(yīng)力集中的脆性破壞，殼體中的尖角、凹槽等應(yīng)盡量避免。更重要的是閥體、蝶板、加長(zhǎng)部分以及內(nèi)件等零件在精加工前必須進(jìn)行深冷處理，以消除相變的影響，否則在低溫下會(huì)發(fā)生馬氏體相變，引起閥門變形，導(dǎo)致閥門泄漏。
LNG超低溫蝶閥的閥桿填料壓套加長(zhǎng)部分長(zhǎng)度選定應(yīng)根據(jù)流體介質(zhì)和是否使用冷箱而設(shè)計(jì)化的長(zhǎng)度，以改進(jìn)在工況環(huán)境中的低溫閥門性能。在標(biāo)準(zhǔn)BS6364、MSSSP-134和文獻(xiàn)[1]均對(duì)閥桿填料壓套加長(zhǎng)部分進(jìn)行了規(guī)定。BS6364帶冷箱的填料壓套加長(zhǎng)部分只規(guī)定了DN100～DN500的長(zhǎng)度，其長(zhǎng)度最長(zhǎng);除冷箱用閥門外，其他用途的閥門其填料壓套加長(zhǎng)部分最小長(zhǎng)度應(yīng)為250mm。MSS-SP-134則規(guī)定了DN15～DN300帶冷箱和非冷箱的長(zhǎng)度，比較而言，非冷箱長(zhǎng)度比BS6364規(guī)定長(zhǎng)，帶冷箱長(zhǎng)度要短于BS6364規(guī)定。文獻(xiàn)[1]則沒(méi)有對(duì)帶冷箱和非冷箱進(jìn)行區(qū)分，其長(zhǎng)度是最短的，但它針對(duì)溫度范圍不同制定了相應(yīng)的長(zhǎng)度。而實(shí)際應(yīng)用中，各個(gè)設(shè)計(jì)院又各有規(guī)定。綜合考慮，BS6364其加長(zhǎng)長(zhǎng)度比較可靠，如用于超低溫關(guān)鍵場(chǎng)合可參考BS6364標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)或按設(shè)計(jì)院特殊長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。而一般低溫的可參照設(shè)計(jì)手冊(cè)的長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣對(duì)減少閥門制作時(shí)材料的投入是非常有效的。當(dāng)然設(shè)計(jì)還應(yīng)該考慮加長(zhǎng)部分的厚度能否滿足驅(qū)動(dòng)裝置所產(chǎn)生的操作扭矩、其他應(yīng)力以及熱損失等，如果是優(yōu)化設(shè)計(jì)則只能通過(guò)試驗(yàn)或有限元熱分析來(lái)確定其長(zhǎng)度。
閥門的密封性能是其質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要指標(biāo)。首先是外漏，由于該閥門采用對(duì)焊連接方式，無(wú)疑減少了泄漏點(diǎn)，在填料密封部位我們對(duì)閥桿與填料函的精度都進(jìn)行嚴(yán)格控制，并選用了德國(guó)EagleBurgmann公司生產(chǎn)的9650/HT低逸散組合式閥桿填料，使填料密封滿足TA-Luft標(biāo)準(zhǔn)。而內(nèi)漏主要原因是密封件的剛度以及低溫狀態(tài)下的變形所致，所以對(duì)內(nèi)件進(jìn)行剛度校核、加工精度控制以及深冷處理是非常重要的。深冷處理必須在精加工之前進(jìn)行，并且深冷處理應(yīng)該使零件溫度達(dá)到-196℃后，保溫2～6h，自然處理到室溫，重復(fù)循環(huán)兩次。
四、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計(jì)改進(jìn)方案經(jīng)驗(yàn)總結(jié)
LNG超低溫蝶閥研制完成后，經(jīng)過(guò)低溫試驗(yàn)*BS6364標(biāo)準(zhǔn)，小于DN500的閥門達(dá)到了零泄漏。但是也發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性并不好，對(duì)產(chǎn)品的加工工藝的控制上還應(yīng)加強(qiáng)，尤其是加工精度和深冷處理等的控制更應(yīng)該嚴(yán)格按工藝執(zhí)行;同樣針對(duì)LNG超低溫蝶閥密封試驗(yàn)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)的工裝設(shè)備;其次針對(duì)對(duì)焊閥門袖管的對(duì)焊工藝等均需仔細(xì)斟酌。 三偏心閥的設(shè)計(jì)非常適合深冷應(yīng)用
三偏心閥采用三個(gè)偏心設(shè)計(jì)，因其金屬對(duì)金屬扭矩密封、90度旋轉(zhuǎn)全行程無(wú)摩擦的特性，實(shí)現(xiàn)真正意義上的雙向零泄漏性能，即按照現(xiàn)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在高壓水測(cè)試和低壓空氣測(cè)試下均無(wú)可見(jiàn)的泄漏。它的免維護(hù)內(nèi)件設(shè)計(jì)(密封結(jié)構(gòu)中沒(méi)有任何軟材料)，使其擁有超長(zhǎng)壽命并幾乎不需要維護(hù)。 低溫三偏心閥是一種帶有延長(zhǎng)閥蓋和彈性實(shí)心金屬密封圈的閥門，使用的密封圈是由高耐腐蝕材料Nitronic 50超級(jí)奧氏體不銹鋼制成，它在低溫下的強(qiáng)度比我們常規(guī)的奧氏體不銹鋼316要高出2~4倍，能夠在極低溫度下保證機(jī)械特性。 
什么是正頂裝和側(cè)頂裝設(shè)計(jì) 三偏心閥(TOV)在LNG行業(yè)應(yīng)用上的設(shè)計(jì)本著降低逸散性外漏風(fēng)險(xiǎn)和全生命周期維修任務(wù)的便利性和安全性，從最初的雙法蘭，到對(duì)焊連接，再升級(jí)到正頂裝式對(duì)焊閥體設(shè)計(jì)，如下圖1。正頂裝式閥的閥板采用上裝結(jié)構(gòu)，需要將閥內(nèi)件在外部進(jìn)行維護(hù)以及易損件的更換時(shí)，整個(gè)閥板閥桿以及閥板上的密封圈都可以從閥體上部吊裝出閥體內(nèi)部，也就是閥門無(wú)需從管道上切割下來(lái)，就可以進(jìn)行閥內(nèi)件、閥桿、閥板、密封圈、軸承的維修和更換。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于： 閥座通常為 316奧氏體不銹鋼，經(jīng)滲氮硬化，滲氮層的厚度通常只有20微米。而正頂裝閥門常規(guī)采用耐磨、較高彈性的Stellite堆焊層作為閥座，厚度達(dá)到2.5毫米，能夠有效消除機(jī)械故障、并長(zhǎng)時(shí)間地維持閥門的低泄漏，達(dá)到全生命周期免維護(hù)。側(cè)頂裝式多采用多層石墨層壓密封圈，石墨材料在低溫下會(huì)變得易碎，而且，石墨在低溫下的收縮系數(shù)比不銹鋼小2~3倍，意味著低溫工況下，石墨會(huì)被擠出不銹鋼密封層。
側(cè)頂裝閥門暴露在介質(zhì)中的螺栓數(shù)量比整體閥座型增加了一倍多，這就需要更加特殊地采取有效防止螺栓松動(dòng)的措施?？偟膩?lái)說(shuō)，這種設(shè)計(jì)造成密封部件容易損壞，因此必須進(jìn)行定期維護(hù)。
由于閥內(nèi)件無(wú)法抽出，維修人員探身或進(jìn)入監(jiān)測(cè)孔進(jìn)行維修，如圖3和4所示。不但直接暴露在安全風(fēng)險(xiǎn)中(因?yàn)榻橘|(zhì)是LNG有毒氣體會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)更大，人吸進(jìn)純LNG，迅速失去知覺(jué)，幾分鐘就會(huì)造成死亡)，且大口徑閥門的內(nèi)件更換很難完成(監(jiān)測(cè)孔小且不方便操作)。
試想一下當(dāng)工作人員維修有害氣液體介質(zhì)的高壓、大口徑側(cè)頂裝式閥門時(shí)，人員要佩戴防毒面具、要采取特殊安全措施和持續(xù)監(jiān)測(cè)供氧；如果出現(xiàn)意外加壓、閥門意外動(dòng)作以及重型部件的拆除情況，這個(gè)工作難度不言而喻。 
五、LNG超低溫深冷處理蝶閥設(shè)計(jì)改進(jìn)方案結(jié)語(yǔ)
LNG超低溫蝶閥由于其低溫工況、以及其介質(zhì)的危險(xiǎn)性，所以其詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)精度的控制必須極其用心。此外，由于近年來(lái)環(huán)境問(wèn)題、安全措施以及節(jié)能的要求越來(lái)越高，因此符合低逸散標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展非常重要。另一方面，國(guó)內(nèi)的質(zhì)量控制隨機(jī)性比較強(qiáng)，產(chǎn)品性能不穩(wěn)定，通過(guò)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化手段和*工藝手段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量仍將是我國(guó)LNG超低溫蝶閥的一個(gè)目標(biāo)。
本發(fā)明公開(kāi)了一種強(qiáng)制密封超低溫蝶閥,包括閥體,閥座,蝶板,密封環(huán),安裝孔在閥座兩端的周線分別為橢圓Ⅰ和橢圓Ⅱ,閥座和密封環(huán)均為純金屬結(jié)構(gòu),在閥座和密封環(huán)組成的密封副中,在原本具有的夾角一的基礎(chǔ)上,增加夾角二,使整個(gè)閥座和密封環(huán)形成共軛密封副.閥座和密封環(huán)本體采用低溫性能良好的奧氏體不銹鋼材料,在密封環(huán)和閥座的表面均設(shè)置一層等離子噴焊硬化保護(hù)層,密封環(huán)表面采用等離子噴焊硬化層的方法設(shè)置一層保護(hù)層,以增加其耐磨耐腐蝕性能;在工藝上,采用機(jī)械加工+自動(dòng)化研磨工藝提高密封面光潔度,其優(yōu)點(diǎn)為耐磨耐腐蝕,從而能應(yīng)用于各類超低溫高壓惡劣工況. |
