用于LNG的低温球阀的特性研究

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近年来，由于能源紧缺，液化天然气(LNG)成为主要能源之-。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。

、低温球阀材料1.主材针对不同等级的低温环境，烟中特殊阀门选用不同的材料 (见表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试验，奥氏体不锈钢逐件进行PM1分析。

表1 烟中特殊阀门低温球阀主要零件材料材质 零件名称- 46～0℃ -104～ -46℃ -l96～ 104℃阀体/阀盖 SCPLl CF8M CF8M阀球 SUS316＆SU$630 SUSF316L SUSF3 16L阀座 P，rFE&PCTFE PTFE&SUS3 16L SUS316L阀杆 SUS3 16&SU$630 SUS3l6L SUS316L密封面 H.Cr 司太立堆焊 自熔合金垫片 V#6590 V#6590 V#659O填料 Graf0-1 Graf0il Grar0ilASTM A320-L7. ASTM A193 ASTM A193-紧固怍 A320- L43 B8M B8M制作低温球阀的金属材料在加工成形后需要进行冰冷处理或深冷处理。表2是烟中特殊阀门常用的深冷处理方法。

2； 年籼表2 烟中特殊阀门常用深冷处理方法ASTM牌号 JIS牌号 热处理方法 处理温度/℃ 深冷时间m 深冷次数CF8 SCS13A 固溶深冷 -l96-200 2 4CF8M SCS14A 固溶深冷 -196～200 24 6CF3 SCS19A 固溶深冷 -196～200 3 4CF3M SCS16A 固溶深冷 -254-455 24 62.阀杆烟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渗氮处理提高阀杆表面硬度。

表3 烟中特殊阀门表面处理常用材料司太立 艺学成分 结合强度 空 隙率Co Cr W C Fe硬度 /(kg/mm。)No.1 Ba1 30.0 12.O 2.5 3.0Max 54HRC 33 ONo.12 Ba1 29.O 8.O 1-35 2.5Ma 47HRC 53 ONo.6 Ba1 28.O 4.O 1.0 3.OMax 44HRC 74 0No.4 Ba1 30.0 14.0 0.6 3.0Max 44HRC 108 O3.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晚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，烟中特殊阀门生产的低温球阀选用超声速火焰喷涂 (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1J68～72HRC，再进行税通工髓 石高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。

表4 烟中特殊阀门表面硬化常用材料结合强度 空隙率 分类 合金名称 化学成分 硬度/(kg/mm2) /(%)Ni.16Cr.4Si.4B。

metcol6C相当 3Cu.3MO.2.5Fe. 6OHRC >30 0Ni基 0.75CNi.17Cr-4Fe-4Si-metcol5E当 62HRC >30 0 3.5B.0.9CCO-27Ni-18Crmetcol8C$1当 6MO.3.5Si.3B- 60HRC >30 02.5Fe-0.2CCo基司太立SF20 CO.1 3Ni.19Cr。

15W-3Si-3B. 60HRC >30 0相当 4Fe.1-3CNi基 Ni.1 1C2.5Fe. 60- - WC metco3 1CSH当 2.5Si.2.5B. >30 O 75HRC0.5C-35WC68.9～12钴碳化钨 WC-12CO >20 <1 72.7HRC68.9～碳 17钴碳化钨 WC.17CO >25 <1 71.5HRC化68.9～ 物 镍铬碳化钨 WC. 27NiCr >2O < 171.5HRC64.0～ 镍铬碳化铬 Cr3C2-25NiCr < 168.9HRC三 低温阀门的结构特点烟中特殊阀门常用的低温用途上装式球阀，如图1所示，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。

图1 烟中特殊阀门低温阀结构示意j ]石油/化I通用机械GM 6 ，hi Petroleum＆Chemical Industry1.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DH2～4mm。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.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。灿中特殊阀门依据MSS-SP-134规范，全方面考虑颈部长度和材料的热导率、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-定附加余量后满足阀体最小壁厚要求♂果见表5。

表5 长颈阀盖颈部长度公称直径 颈部长度/mm/mm 温度≥-60C -IO0C≤温度≤-60C 温度≤-IO0C15 90 l10 13025 1o0 l20 15050 11O l30 17080 120 15O 190100 13O 160 20015040 170 22020025050 l80 24030035060 190 25040045070 200 260500此外，烟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，阀内结构对温度场的影响关系如图2所示。

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20]3 ety用jx co褂m 53 第8期ⅥwⅣ. . UU伽 石油/化I通用机械GMin Petroleum&ChemicallndustJ7懿赠阀杆与阀颈间隙/mm图2 结构对温度场的影响Dn3o%左右。

2)由于填料通常是非金属材料，其线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-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。烟中特殊阀门采用组合式填料可以适用于不同温度的环境。填料由三维组合体构成，内含特殊润滑成分，应力松弛极小，适用温度低至 -200℃。

3)中法兰-般采用缠绕垫片密封结构。因材料线胀系数不同，密封比压会有所减小，引起介质外漏，因此中法兰紧固螺栓连接处采用碟形弹簧垫片预紧 (如图3所示)补偿填料在低温时的预紧力确保填料密封性能。

图3 蝶形弹簧垫片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，如图4所示。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GM 通用椰督l 2013 第8期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lOf)。

阎体 阀杆图4 防静电结构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，在积液汽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。烟中特殊阀门通常采用内部泄放方式。

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，如图5所示。

2)采用双阻断双排放结构阀座，如图6所示，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。

图5 内部泄压方式图6 双阻断双排放结构阀座四、低温阀门的测试1.常用低温试验方法目前国际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，通人低温介质进入阀门内部降温，当(下转第58页)O 9 8 7 6 5 4 3 2 勰勰勰勰勰勰勰 勰莓赠∞ 鹪 盯G M 冶金/矿m通用机械GM in Metalurgical＆Mine Industry四、性能测试试运行2h，轴承温升≤40℃，性能测试按照GB1236-1985标准要求。-般来说，凤机的设计首先是通过理论设计，制作模拟机，测试风机的性能，确定风机型号，然后根据凤机设计原理进行相似放大设计，性能是有保障的。对于某些条件具备的工厂，如有条件实施装管道的性能测试，无疑能更好地保证风机使用的效果。而对于只能提供转子机械运转试验的设备厂家，类似型号风机的使用情况将是重要的参考依据。

五、结语很多行业中风机都是主要的工艺设备，其质量直接关系到整个生产线的稳定运行。这里只是对设备的监造作-简单的介绍，在实际的工作中可能会遇到各种各样的问题，这就需要监造人员要本着对业主高度负责的态度，对整个加工制造过程严把质量关，尤其是关键的节点给予重点关注，确保设备的制造质量。GM(收稿日期：2013/06/21)(上接第54页)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) Ⅸ低温阀门 ，适用于闸阀、截止阀、止回阀、球阀和蝶阀，温度为- 196～-50C，其低温试验方法属于浸渍法。

2.日本T.T.O低温阀门试验低温阀试验装置使用保冷法，如图7所示。阀座密封试验压力及持续时间见表6，泄漏量检测方法在图中显示为水槽中测量容器。

图7 低温试验装置表6 低温阀阀座密封试验压力及持续时间压力磅级 试验压力 (氦气)/MPa 最短持续时间/min15O30o1.O 56oo900GM 雹用栅'l 2013年 第8期表7 低温性能试验内容及要求试验项目 试验参数 试验结果要求填料，中法兰垫片 试验压力/MPa 公称压力密封处低温密封性 试验时间/min 15 密封处无可见泄漏能试验 试验温度/℃ -196阀座低温密封性能试验压力/MPa 公称压力试验时间/min 15 不得大于试验 5cc/minin试验温度，℃ -196试验次数/次 6 动作灵活，无卡 低温启闭试验试验温度FC -196 阻、无爬行现象烟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。T.T.O低温阀指针是由日本三大燃气公司根据国际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，其中规定的允许泄漏量较其他国际规范更加严格。

五，结语LNG超低温阀门由于其使用介质相对分子质量小，黏度低，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-l63℃工作温度选用合适的相容材料。