LNG超低溫閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

                             LNG超低溫閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

                         上海申弘閥門(mén)有限公司
3.1  長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu) 
LNG的溫度為-162℃，溫度特別低，而閥門(mén)的填料使用溫度不低于0℃，所以LNG超低溫閥門(mén)需要采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，填料位于閥蓋的上端，可以使填料遠(yuǎn)離閥體中的介質(zhì)，保證填料函處的溫度在0℃以上。同時(shí)可以避免閥桿和閥蓋上端的零部件凍結(jié)，使其處于正常工作的狀態(tài)。整個(gè)閥門(mén)裝配體的模擬溫度場(chǎng)如圖3.2所示，閥蓋底部的溫度在0℃以下。所以必須采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)使填料部位遠(yuǎn)離閥蓋底部，如圖3.2溫度場(chǎng)所示填料位置的溫度高于0℃。 
概述隨著天然氣液化技術(shù)的快速發(fā)展,液化天然氣(LNG)的消費(fèi)量目前正以每年10%的速度增長(zhǎng),已成為一種新興的節(jié)能和清潔能源。LNG的主要成分為甲烷、少量乙烷、丙烷以及其他成分,其沸點(diǎn)為-162℃,熔點(diǎn)為-182℃,燃點(diǎn)為650℃。LNG的分子量小,粘度低,滲透性強(qiáng),易于泄漏和擴(kuò)散,在其生產(chǎn)、接收、運(yùn)輸和氣化等裝置中,超低溫閥門(mén)對(duì)其系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有極為重要的作用。目前,LNG關(guān)鍵設(shè)備用的閥門(mén)需要通過(guò)技術(shù)攻關(guān)和研發(fā)超低溫球閥、截止閥、止回閥及蝶閥等,以解決產(chǎn)品依賴(lài)于進(jìn)口和盡快國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)難題。2閥門(mén)特性2.1材料選擇(1)奧氏體不銹鋼超低溫閥門(mén)材料應(yīng)具有足夠的韌性和組織穩(wěn)定性,以保證在低溫下不會(huì)因相變導(dǎo)致變形繼而影響閥門(mén)的密封性。通常情況下體心立方結(jié)構(gòu)有明顯的低溫脆性,而面心立方結(jié)構(gòu)有很好的低溫韌塑性。選用面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體不銹鋼304、304L、316、316L作為閥體、閥座、閥瓣及球體等關(guān)鍵零部件的材料,這些材料沒(méi)有低溫冷脆臨界溫度,在低溫條件下,仍能保持較高的韌塑性。在27～-269℃時(shí),材料304、304L、316隨著溫度的降低,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都增高。其中材料316L
3.2  滴水板結(jié)構(gòu)

22位和閥桿上部的零件的溫度在0℃以上。圖3.1和圖3.2分別是有滴水板和無(wú)滴水板整個(gè)閥體的溫度場(chǎng)模擬圖，通過(guò)對(duì)比我們可以看出，有滴水板的閥門(mén)閥蓋上端的溫度明顯升高。由于延長(zhǎng)閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門(mén)暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會(huì)液化成水珠，滴水板的直徑超過(guò)中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹蝕影響在線維修。 
3.3  泄壓部件的設(shè)計(jì) 
LNG氣化后體積擴(kuò)大為原來(lái)的600多倍，異常升壓的問(wèn)題普遍存在。當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉后，殘留在閥體腔內(nèi)的LNG從周?chē)h(huán)境中大量吸收熱量迅速氣化，在閥體內(nèi)產(chǎn)生很高的壓強(qiáng)，從而破壞球體及閥座組件，使閥門(mén)不能正常工作。所以在入口端加泄壓孔，以保證腔體和入口管道的連通防止腔體異常升壓。圖3.3箭頭所指的位置就是LNG超低溫球閥的泄壓孔。 圖3.3  LNG超低溫球閥的泄壓孔Fig3.3  The pressure relief hole of cryogenic ball valve 
 
3.4 防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 
 
圖3.4  球閥的防靜電結(jié)構(gòu) 
Fig3.4  The anti-static structure of cryogenic ball valve LNG具有易燃易爆的特性，所以在設(shè)計(jì)LNG超低溫閥門(mén)時(shí)，必須要設(shè)計(jì)防靜電結(jié)構(gòu)。LNG球閥閥座的材料是PCTFE，這種材料聚集靜電的隱患非常大，靜電引起的火花很有可能造成管道和閥體中的LNG燃燒甚至爆炸后果不堪設(shè)想。所以在設(shè)計(jì)閥門(mén)時(shí)，必須設(shè)計(jì)導(dǎo)通裝置連接閥桿和閥體，閥桿和關(guān)閉件從而導(dǎo)出靜電，消除安全隱患[11]。圖3.4就是球體與閥桿連接處設(shè)置的防靜電結(jié)構(gòu)。 
3.5 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 
為保證閥門(mén)在低溫下密封的安全可靠性，在設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)時(shí)，也要采用特殊的密封結(jié)構(gòu)。 
在低溫下采用單獨(dú)填料進(jìn)行密封容易泄漏，我們通過(guò)唇式密封圈、柔性石墨填料、O型圈3重密封來(lái)保證填料處的密封，采用碟簧組預(yù)緊式結(jié)構(gòu)，補(bǔ)償溫度波動(dòng)變化時(shí)螺栓變形量的變化，同時(shí)防止長(zhǎng)時(shí)間工作后填料等密封件的松弛。密封結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示  圖3.5  三重密封結(jié)構(gòu) Fig3.5  Triple seal structure 
 
3.6  防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 
閥體和閥蓋連接部位采用唇式密封圈和石墨纏繞墊片的雙道密封結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，閥桿密封部位也采用唇式密封圈、石墨填料組和O形圈多重密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，唇式密封圈熔化失效，此時(shí)中腔石墨纏繞墊片和閥桿石墨填料組起主要密封作用，防止發(fā)生外漏。球體和閥座采用金屬閥座和非金屬密封環(huán)雙重密封結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如果非金屬密封環(huán)熔化失效，則二道防火密封的金屬閥座在彈簧預(yù)緊力作用下，將閥座推向球體而阻斷管線流體防止內(nèi)漏。利于倒密封結(jié)構(gòu)密封，實(shí)現(xiàn)在線更換填料等密封件。 
3.8  閥桿組合 
閥桿設(shè)置帶有彈簧蓄能密封圈，彈簧蓄能密封圈隨閥腔介質(zhì)壓力的增高而緊貼密封溝槽，由此形成密封，從而確保閥桿的密封效果。設(shè)置閥桿防飛結(jié)構(gòu)，當(dāng)閥腔異常升壓時(shí)，閥桿不會(huì)被沖出。上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、高壓閥門(mén)、中壓閥門(mén)、低壓閥門(mén)、水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。采用碟簧組預(yù)緊式壓緊填料，補(bǔ)償溫度波動(dòng)變化及長(zhǎng)時(shí)間工作后所引起填料等密封件的松弛，結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。 

263.9  球閥整體結(jié)構(gòu) 
所設(shè)計(jì)的LNG超低溫球閥的三維裝配圖如同圖3.10所示閥門(mén)關(guān)鍵材料低溫物性分析的實(shí)驗(yàn)方法??
為了研究閥門(mén)主體材料AISI304和密封面堆焊Ni40和Ni60兩種硬質(zhì)合金在低溫下的性能、低溫下尺寸的改變大小的規(guī)律、微觀組織的變化、低溫下堆焊層是否開(kāi)裂，進(jìn)行如下試驗(yàn)： 
深冷處理前后母材到堆焊層的硬度梯度測(cè)試； AISI304常溫和低溫下的沖擊和拉伸試驗(yàn)； 
母材+堆焊層在常溫和低溫下不同位置開(kāi)坡口的沖擊試驗(yàn)； 深冷處理前后母材和堆焊層金相分析； 深冷處理前后母材和堆焊層掃描電鏡分析； 深冷處理前后母材和堆焊層X(jué)RD物相分析； 沖擊試樣斷口宏觀和微觀分析； 


4.1  實(shí)驗(yàn)材料 
本試驗(yàn)中所選用的AISI304奧氏體不銹鋼、Ni-Cr-B-Si系的Ni40、Ni60硬質(zhì)合金粉末的化學(xué)成分如表4.1和表4.2所示。 
表4.1  AISI304化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%) Tab. 4.1  Composition of AISI304 (w/%)4.2  AISI304表面等離子堆焊硬質(zhì)合金 采用等離子堆焊機(jī)在AISI304奧氏體不銹鋼表面分別堆焊Ni40和Ni60合金粉末。等離子堆焊工藝參數(shù)如表4.3所示。試驗(yàn)過(guò)程中采用的等離子堆焊設(shè)備如圖4.1所示。其基本原理如圖4.2所示。等離子堆焊設(shè)備包括轉(zhuǎn)移弧電源和非轉(zhuǎn)移弧電源。陰極和噴嘴之間產(chǎn)生的電弧叫做非轉(zhuǎn)移弧，陰極和工件之間產(chǎn)生的電弧叫做轉(zhuǎn)移弧[12]。轉(zhuǎn)弧是堆焊的主要熱源[44]
。等離子堆焊設(shè)備還包括電氣控制系統(tǒng)、擺動(dòng)機(jī)、工作氣供給系統(tǒng)、送粉器、焊槍、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，工件移動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)。等離子堆焊過(guò)程如下：

（1）非轉(zhuǎn)移弧引弧，陰極和噴嘴之間產(chǎn)生電弧，借助非轉(zhuǎn)移弧在陰極和工件之間引燃轉(zhuǎn)移弧。 
（2）關(guān)閉非轉(zhuǎn)移弧，利用轉(zhuǎn)移弧產(chǎn)生的熱量熔化合金粉末和母材表面，使合金熔敷在母材表面。 
（3）調(diào)整母材和焊槍的相對(duì)移動(dòng)速度、焊槍的擺動(dòng)幅度、送粉速度控制堆焊層的厚度和寬度。由于等離子弧能量集中、熱輸入大，所以在堆焊過(guò)程中容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，進(jìn)而容易形成裂紋，因此在焊前將母材在400℃下保溫2h，焊后將堆焊試件放在蛭石粉中緩冷至室溫，降低熔池的冷卻速度，減少試件的殘余應(yīng)力，進(jìn)而降低堆焊試件的裂紋形成傾向[12]。圖4.2  等離子堆焊原理示意圖 Fig. 4.2  Schematic diagram of PTAW 


 
4.3  沖擊試驗(yàn)  
材料在低溫下服役重要的性能指標(biāo)就是低溫沖擊韌性[45]，通過(guò)常溫和低溫下的沖擊試驗(yàn)確定AISI304及AISI304表面堆焊硬質(zhì)合金在不同溫度下的沖擊韌性是非常有必要的。把AISI304加工成長(zhǎng)度為55mm，橫截面為10mmX10mm的方型截面的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣，在試樣長(zhǎng)度中間開(kāi)V型缺口。將表面堆焊Ni40和Ni60硬質(zhì)合金的AISI304按圖4.3加工成沖擊試樣，堆焊層和母材厚度各為5mm，表面堆焊Ni40硬質(zhì)合金的試件分別在母材側(cè)、堆焊層側(cè)、堆焊層和母材搭接側(cè)開(kāi)V型坡口。表面堆焊Ni60硬質(zhì)合金的試件在母材側(cè)開(kāi)V型坡口。V型缺口夾角45°，其深度為2mm，底部曲率半徑為0.25mm。各組試樣分別在常溫、-60℃、-100℃、-140℃和-196℃溫度下進(jìn)行夏比V型坡口沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)中所采用的低溫沖擊試驗(yàn)設(shè)備如圖4.4所示。將沖擊試樣放入低溫沖擊試驗(yàn)機(jī)配套的低溫箱中，吹入液氮，試樣溫度持續(xù)下降，冷卻至溫度后，在此溫度下保溫20分鐘，然后通過(guò)自動(dòng)推送裝置，依次將沖擊試樣從低溫箱中推入到試樣臺(tái)上，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。為了研究AISI304在常溫和低溫下的塑性和強(qiáng)度的變化，通過(guò)常溫和-196℃的拉伸試驗(yàn)測(cè)量AISI304在室溫及低溫下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度斷后伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。 
常溫拉伸試驗(yàn)的試樣、試驗(yàn)方法等*按GB228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行，試樣尺寸為φ5mm標(biāo)準(zhǔn)短試樣。 低溫拉伸試驗(yàn)的試樣、試驗(yàn)方法等按GB/T13239-2006金屬材料低溫拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行，試樣尺寸為φ5mm短試樣。低溫拉伸試驗(yàn)設(shè)備如圖4.5所示。(A) 為配套的液氮冷卻裝置，(B)為低溫環(huán)境箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，環(huán)境箱里為拉伸試樣，鐵絲狀為熱電偶。(C)左側(cè)為環(huán)境箱外觀，右側(cè)為溫度控制器(顯示為-81)℃，環(huán)境箱背部白色管為液氮輸送管因?yàn)橐呀?jīng)結(jié)霜，所以為白色。試驗(yàn)過(guò)程中將試樣裝夾到低溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上，向低溫箱中通入液氮，達(dá)到設(shè)定溫度后，保持20分鐘，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。 
4.5  顯微硬度測(cè)試 
使用型號(hào)為MVC-1000B維氏硬度計(jì)測(cè)量AISI304+Ni40和AISI304+Ni60從母材到堆焊層在深冷處理前及深冷處理后的硬度梯度，總結(jié)深冷處理對(duì)材料硬度的影響。MVC-1000B維氏硬度計(jì)使用載荷為1000g，加載時(shí)間為15s。首先在常溫下對(duì)各試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，再對(duì)各試樣進(jìn)行深冷處理，深冷處理的溫度分別是-60℃、-100℃、-140℃和-196℃，深冷處理時(shí)間為2小時(shí)。深冷處理后再對(duì)各試樣進(jìn)行硬度測(cè)試，對(duì)比深冷處理前后的硬度變化。 
4.6  低溫對(duì)材料形狀尺寸的影響 
1）把AISI304加工成φ10×22mm的試樣，分別測(cè)量其在常溫和-196℃下的直徑和長(zhǎng)度，計(jì)算AISI304在-196℃下長(zhǎng)度方向和直徑方向的尺寸改變率。 
2）把AISI304加工成φ50×20mm的閥瓣模擬試樣，表面研磨平整，光潔度達(dá)到▽10，經(jīng)過(guò)-196℃兩小時(shí)的深冷處理后在室溫下用測(cè)微計(jì)測(cè)量表面的不平整度。測(cè)量完成后再將其表面研磨平整，光潔度達(dá)到▽10再對(duì)其進(jìn)行-196℃兩小時(shí)的深冷處理之后再測(cè)量其表面的不平整度。 
4.7  顯微組織觀察 
為了研究深冷處理對(duì)材料微觀組織的影響，在深冷處理前后利用
Nikon-MA100金相顯微鏡和ZEISS EVO 18掃描電子顯微鏡對(duì)AISI304和堆焊層組織Ni40和Ni60進(jìn)行原位觀察，用MVC-1000B維氏硬度計(jì)在試樣上留下壓痕做標(biāo)記，對(duì)比深冷處理前后的壓痕附近金相照片和掃描照片。試樣制備過(guò)程如下所示： 
1）利用線切割切取試樣；按照如圖4.6示意圖從堆焊層中間區(qū)域切取試樣，避免在起弧和收弧處切取試樣。試樣尺寸為15mm×15mm×15mm，試樣截面如圖4.7所示。   
圖4.6  切取試樣位置示意圖 Fig. 4.6  Schematic of sample location  
圖4.7 試樣尺寸 Fig. 4.7  The sample size  
2）用200~1500#砂紙打磨試樣； 3）利用拋光劑進(jìn)行拋光； 
4）用化學(xué)試劑腐蝕試樣，AISI304所選用的腐蝕劑為HCl:HNO3=3:1；Ni40和Ni60采用電解腐蝕，拋光液: 10g草酸+100mLH2O；電壓：6V；時(shí)間：10s。 
4.8  XRD物相分析 
深冷前后為了進(jìn)一步研究深冷處理對(duì)AISI304、Ni40、Ni60硬質(zhì)合金物相的影響，利用型號(hào)為島津XRD-6000的X-射線衍射儀在深冷處理前后分別進(jìn)行物相分析，對(duì)比深冷處理前后材料物相的變化。試樣制備過(guò)程如下所示： 
1）利用線切割在母材和堆焊層分別切取試樣尺寸為10mm×4mm×4mm 
2）用200~600#砂紙打磨試樣使其表面平整；

3）超聲波清洗。 
4.9  沖擊試樣斷口分析 
要研究低溫鋼低溫下的斷裂性能，對(duì)斷口分析的研究*。對(duì)沖擊后的試樣進(jìn)行宏觀和微觀斷口分析，可以確定材料在不同溫度下的斷裂類(lèi)型。裂紋的萌生與擴(kuò)展是材料斷裂的兩個(gè)過(guò)程，裂紋形成功和與裂紋擴(kuò)展功共同構(gòu)成了夏比按照如圖4.6示意圖從堆焊層中間區(qū)域切取試樣，避免在起弧和收弧處切取試樣。試樣尺寸為15mm×15mm×15mm，試樣截面如圖4.7所示。  
圖4.6  切取試樣位置示意圖 Fig. 4.6  Schematic of sample location 圖4.7 試樣尺寸 Fig. 4.7  The sample size  
2）用200~1500#砂紙打磨試樣；

3）利用拋光劑進(jìn)行拋光； 
4）用化學(xué)試劑腐蝕試樣，AISI304所選用的腐蝕劑為HCl:HNO3=3:1；Ni40和Ni60采用電解腐蝕，拋光液: 10g草酸+100mLH2O；電壓：6V；時(shí)間：10s。 
4.8  XRD物相分析 
深冷前后為了進(jìn)一步研究深冷處理對(duì)AISI304、Ni40、Ni60硬質(zhì)合金物相的影響，利用型號(hào)為島津XRD-6000的X-射線衍射儀在深冷處理前后分別進(jìn)行物相分析，對(duì)比深冷處理前后材料物相的變化。試樣制備過(guò)程如下所示： 
1）利用線切割在母材和堆焊層分別切取試樣尺寸為10mm×4mm×4mm 
2）用200~600#砂紙打磨試樣使其表面平整；

3）超聲波清洗。 
4.9  沖擊試樣斷口分析 
要研究低溫鋼低溫下的斷裂性能，對(duì)斷口分析的研究*。對(duì)沖擊后的試樣進(jìn)行宏觀和微觀斷口分析，可以確定材料在不同溫度下的斷裂類(lèi)型。裂紋的萌生與擴(kuò)展是材料斷裂的兩個(gè)過(guò)程，裂紋形成功和與裂紋擴(kuò)展功共同構(gòu)成了夏比與本文相關(guān)的論文有：氣體減壓閥在草珊瑚牙膏的應(yīng)用