LNG超低温深冷球阀密封改进方案

LNG超低温深冷球阀密封改进方案 近年来，由于能源紧缺液化天然气(LNG)成为主要能源之一。用于LNG的球阀因为使用在超低温的环境下，对阀门的结构、材料选择、制造及检验等均提出了特殊的要求。超低温球阀的选材要求,检测和结构特点,并针对LNG装置超低温的运行工况,提出了超低温球阀设计选用注意的问题及解决方法,为超低温球阀的设计、采购、安装和使用提供参考浮动球式球阀的密封依靠介质的压力，把球体推向下游的密封面，从而达到密封的要求。所以一般浮动球式低温球阀的密封结构为上游密封圈采用弹簧预紧式密封结构，泄压采用在球体上钻孔的方式。由于上游介质的压力高，一般阀门的泄压方向都采用向上游泄压。弹簧预紧式阀座可以使球体在弹簧的作用下，压向下游密封圈。这种密封结构的好处是使密封更可靠，同时球阀开启扭矩也会减小。球体上钻孔可以使阀腔与阀门上游相通，避免阀腔因介质气化膨胀而局部升压。
固定球式超低温球阀的密封一般是双向密封，即上下游密封圈要同时起到密封的作用。上游密封圈用单活塞式密封阀座，下游密封圈用双活塞式密封阀座。单活塞阀座的原理为单向活塞式的作用，在密封副的设计上，考虑到因密封面两个方向作用力的差值而产生的作用力方向的不同，从而使密封副在压力差的推动下，产生相应方向的活塞运动（单活塞效应）。正常压力下前阀座单活塞密封示意图见图1，在上游管道正常推力P1大于反向推力P2时（P1>P2），在压力差的作用下，把密封圈压向球体，达到密封；而在阀腔压力升高时，在此压力的作用下，推开密封圈，使阀腔里的气体泄向上游管道。


1. LNG超低温深冷球阀密封改进方案低温球阀材料
1.1. 主材
针对不同等级的低温环境，畑中特殊阀门选用不同的材料（表1）。通常对铁素体低温压力部件进行在设计温度下的夏比冲击实验。奥氏体不锈钢逐件进行PMI分析。

编号	零件名称	材质
		0℃~-46℃	-46℃~-104℃	-104℃~-196℃
1	阀体/ 阀盖	SCPL1	CF8M	CF3M
2	阀球	SUS316 & SUS630	SUSF316L	SUSF316L
3	阀座	PTFE&PCTFE	PTFE&SUS316L	SUS316L
4	阀杆	SUS316 &SUS630	SUS316L	SUS316L
5	密封面	H.Cr	司太立堆焊	自溶合金
6	垫片	V#6590	V#6590	V#6590
7	填料	Grafoil(例:P#6528)	Grafoil(例:P#6610)	Grafoil(例:P#6616CL)
8	紧固件	ASTM A320-L7, A320-L43	ASTM A193-B8M	ASTM A193-B8M

制作低温球阀的金属材料在加工成型后需要进行低温处理:冰冷处理或深冷处理。表2 是畑中特殊阀门常用的深冷处理方法。



ASTM牌号	JIS牌号	热处理方法	处理温度℃	深冷时间	深冷次数
CF8	SCS13A	固溶+深冷	-196～200	2h	4
CF8M	SCS14A	固溶+深冷	-196～200	24h	6
CF3	SCS19A	固溶+深冷	-196～200	3h	4
CF3M	SCS16A	固溶+深冷	-254～455	24h	6

1.2. 阀杆
畑中特殊阀门使用沉淀硬化不锈钢或镍铬合金作为超低温球阀阀杆材料，对奥氏体不锈钢材料制作的阀杆表面必须进行镀硬铬或氮化处理提高阀杆表面硬度。表3是表面处理的常用材料。

 

司太立	化学成分					硬度	结合强度 kg/mm2	空隙率 Vol.%
	Co	Cr	W	C	Fe
No	Bal	30.0	12.0	2.5	3.0Max	HRc54	33	0
No.2	Bal	29.0	8.0	1.35	2.5Max	HRc47	53	0
No.6	Bal	28.0	4.0	1.0	3.0Max	HRc44	74	0
No.4	Bal	30.0	14.0	0.6	3.0Max	HRc44	108	0

 1.3. 密封面
在低温状态下，由于非金属材料的膨胀系数较大，低温时的收缩量与金属密封件、阀体等耦合件的收缩量相差很多，导致密封性能大幅下降。同时大多数非金属材料在超低温状态下会发生脆性转变并容易导致冷流和应力松弛。低于-70℃的环境就不再采用非金属密封副材料。而奥氏体不锈钢阀瓣和阀座密封副由于球体与阀座之间在整个启闭过程中始终紧密贴合存在着摩擦，且金属密封副所要求的密封力较大，未经表面硬化处理的球体与阀座之间会擦伤，影响球阀的密封性能，畑中特殊阀门生产的低温球阀选用超音速火焰喷涂（HOFV）或者喷焊技术在球体和阀座密封表面喷涂WC 或镍铬合金，使表面硬度达到HRC68～72 左右，再进行高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。
 

	合金名称	化学成分	硬度	结合强度 kg/mm2	空隙率 Vol.%
Ni基	metco16C相当	Ni-16Cr-4Si-4B-3Cu-3Mo-2.5Fe-0.75C	HRc60	30以上	0
	metco15E相当	Ni-17Cr-4Fe-4Si-3.5B-0.9C	HRc62	30以上	0
Co基	metco18C相当	Co-27Ni-18Cr-6Mo-3.5Si-3B-2.5Fe-0.2C	HRc60	30以上	0
	司太立SF20相当	Co-13Ni-19Cr-15W-3Si-3B-4Fe-1.3C	HRc60	30以上	0
Ni基+WC	metco31C相当	Ni-11Cr-2.5Fe-2.5Si-2.5B-0.5C-35WC	HRc60-75	30以上	0
碳 化物	12钴碳化钨	WC-12Co	Hv1000-1300 (HRc68.9-72.7)	20以上	1以下
	17钴碳化钨	WC-17Co	Hv1000-1200 (HRc68.9-71.5)	25以上	1以下
	镍铬碳化钨	WC-27NiCr	Hv1000-1200 (HRc68.9-71.5)	20以上	1以下
	镍铬碳化铬	Cr3C2-25NiCr	Hv800-1000 (HRc64.0-68.9)	-	1以下

LNG超低温深冷球阀密封改进方案低温阀门的结构特点
全通径或缩径设计; 阀杆防飞出设计，带活载且可调式的填料密封结构; 可靠的阀座自泄压功能，满足上游或下游泄放; 防火防静电设计; 球体固定或浮动设计; LIP-SEAL阀杆密封圈提供一个初级密封与低泄漏石墨填料配合设计; 硬密封或软密封可选; *的反向压力环设计，保证密封性能; 采用加高的阀盖结构，防止填料受低温介质的影响，保护阀杆不被擦伤; 采用高度可调式的滴水板结构，使保冷空间不受限制图1是畑中特殊阀门常用的低温用途上装式球阀。在设计上充分考虑了低温工况下对阀门各个零部件的要求。


2.1. 阀体
低温工况下阀体所承受的温度应力、连接管道的膨胀和收缩附加应力都很大，要保持阀门密封副不发生变形，壳体的刚度很重要。壁厚计算遵循ASME B16.34规格要求，并在此基础上平均增加2~4mm。此外，为了防止低温时应力集中的脆性破坏，应尽量避免壳体有尖角、凹槽等。
2.2. 长颈阀盖
在低温环境下，阀门采用长阀杆，可以避免填料函温度降至冰点造成的破坏。畑中特殊阀门依据MSS-SP-134规范，全方面考虑颈部长度和材料的导热系数、导热面积及表面散热系数、散热面积等因素。长颈部强度计算通过常用阀体壁厚验算方法确定，同时在增加一定附加余量后满足阀体壁厚要求。结果见表5。
此外，畑中特殊阀门借助于应力分析软件，模拟产品在实际温度，压力等具体环境中的参数，并根据分析数据对长颈阀盖进行修正。图2是长颈阀盖的应力分析实例；图3是阀内结构对温度场的影响关系。
2.3. 密封结构
奥氏体不锈钢在低温时会发生部分相变，从而产生相变应力变形，同时温度的变化也会产生温变应力变形。因此在制造过程中需对各零部件进行低温深冷处理，以降低温度对超低温阀门密封性能的影响。
1）由于低温引起密封面的变形，可能会发生常温下密封良好的阀座在低温状态下发生泄漏，为此在计算密封预紧力时，在满足许用比压的基础上，应适当增加阀座预紧力，根据HSV以往的设计及制造经验，建议增加30%左右。
2）由于填料通常是非金属材料，其线膨胀系数比金属填料函和阀杆大得多，因此在常温下装配的填料，降到一定温度后，其收缩量大于填料孔和阀杆的收缩量，会造成预紧压力减小引发泄漏。畑中特殊阀门采用组合式填料(表6)可以适用于不同温度的环境。填料由三维组合体构成，内含特殊润滑分，应力松弛极小，适用温度低至-200℃。
2.4. 防静电结构
基于 LNG 介质的易燃易爆特性，在设计LNG低温阀门时，必须考虑防静电措施。尤其对非金属高分子材料阀座，有集聚静电的危险，静电能引起火花造成燃烧和爆炸。在设计时需考虑在阀杆与阀体之间、阀杆与关闭件之间设置导通装置，引出静电。对金属密封的超低温阀门，可不设置导通装置，但在装配后应测量阀杆与阀体、关闭件与阀体之间的电阻值小于设计规范所规定的10Ω。
2.5. 泄压结构

低温液化气体介质在温度升高的情况下会气化膨胀，如阀门内存在密闭的空间，在积液气化时会造成阀门内压提高数倍造成泄漏，严重时发生阀体开裂造成事故。球阀在全闭和全开时都会形成密闭空间，因此在设计时要考虑当中腔压力升高时，阀门能自动将高压介质排放出去。畑中特殊阀门通常采用内部泄放方式。

第1：通过泄压孔将阀门中腔与管路进口端连通，使中腔压力始终与管路进口端平衡（图6）；

第二：采用双阻断双排放结构阀座（图7），当中腔压力达到设定的安全泄放压力时，中腔介质泄放至进口管路内。



3. LNG超低温深冷球阀密封改进方案低温阀门的测试
3.1常用低温试验方法
目前上通常采用浸渍法和保冷法两种方式。浸渍法(即外部冷却法)是将阀门直接放到装有液氮的保冷箱中冷却，当阀门温度骤冷至工作温度后再用氦气进行密封性能试验。保冷法(即内部冷却法)是将阀门安装在保冷箱中，通入低温介质进入阀门内部降温，当温度降到规定值时，将低温介质放掉，然后通入规定压力的氦气进行试验。欧美阀门行业多采用英国制定的阀门标准BS6364: 1984 (R1998)《低温阀门》，适用于闸阀、截止阀、止回阀、球阀和蝶阀，温度范围-196～ -50℃，其低温试验方法属于浸渍法。
3.2日本T.T.O低温阀门试验
畑中特殊阀门采用日本T.T.O低温阀指针做为低温阀的检测标准。指针是由日本三大燃气公司根据通用法规制定的关于低温阀选材，设计，制造，试验，喷涂，包装以及运输等方面的规范，其中规定的允许泄露量较其他规范更加严格。低温阀试验装置(图8)使用保冷法，阀座密封试验压力及持续时间见表7，低温试验允许泄漏率见，泄漏量检测方法在图中显示为水槽中测量容器。



LNG超低温深冷球阀密封改进方案结束语
LNG 超低温阀门由于其使用介质分子量小，粘度低，浸透性强，容易泄漏，且其具有易燃易爆的特性，因此在设计超低温阀门时，必须考虑以下几点：1）根据LNG 介质特性和-163℃工作温度选用合适的相容材料；2）采用柔性密封结构；3）采用合理的防火、防爆结构和防超压结构；4）金属零部件在加工过程中进行深冷工艺处理，；5）进行低温试验。