液化天然氣用超低溫閥門的設計與研究
孫奇1,2,肖箭1,鄧德偉2
( 1.大連大高閥門股份有限公司,遼寧大連116037; 2.大連理工大學材料科學與工程學院,遼寧大連116024)
摘要介紹了液化天然氣裝置用超低溫閥門的工況特性、結構設計、制造工藝及其材料的選擇與處理方法。分析了超低溫閥門的密封結構、關閉力矩及相關零件的材料性能。給出了超低溫閥門的低溫密封試驗裝置系統和試驗的步驟與結果。
中圖分類號: TH134文獻標識碼: A
1 概述
隨著天然氣液化技術的快速發展,液化天然氣( LNG)的消費量目前正以每年10%的速度增長,已成為一種新興的節能和清潔能源。LNG的主要成分為甲烷、少量乙烷、丙烷以及其他成分,其沸點為-162℃,熔點為-182℃,燃點為650℃。LNG的分子量小,粘度低,滲透性強,易于泄漏和擴散,在其生產、接收、運輸和氣化等裝置中,超低溫閥門對其系統的安全可靠運行具有極為重要的作用。目前,LNG關鍵設備用的閥門需要通過技術攻關和研發超低溫球閥、截止閥、止回閥及蝶閥等,以解決產品依賴于進口和盡快國產化的技術難題。
2 閥門特性
2.1 材料選擇
(1) 奧氏體不銹鋼
超低溫閥門材料應具有足夠的韌性和組織穩定性,以保證在低溫下不會因相變導致變形繼而影響閥門的密封性。通常情況下體心立方結構有明顯的低溫脆性,而面心立方結構有很好的低溫韌塑性。選用面心立方結構奧氏體不銹鋼304、304L、316、316L作為閥體、閥座、閥瓣及球體等關鍵零部件的材料,這些材料沒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,材料304、304L、316隨著溫度的降低,其抗拉強度和屈服強度都增高。其中材料316L的低溫結構最為穩定,所以選其作為閥門關鍵承壓部件的材料。
2) PCTFE
PCTFE為三氟氯乙烯( CTFE)的聚合物,是一種熱塑性樹脂,其化學結構式為
由于PCTFE分子結構中C-Cl鍵的引入,除了耐熱性及化學惰性較聚四氟乙烯、四氟乙烯- 六氟丙烯共聚物稍差外,硬度、剛性及其耐蠕變性均較好,滲透性及熔點和融熔粘度都較低。PCTFE在液氦、液氧和液化天然氣中不發生脆裂,不蠕變。在所有的非金屬材料中,PCTFE具有最低的水- 汽滲透率,不滲透任何氣體,不助燃,是一種良好的密封聚合物。PCTFE的耐低溫性特別突出. 在一定條件下能在接近絕對零度(-273℃)下使用(表1)〔1〕。
( 3)柔性石墨
柔性石墨(又稱膨脹石墨)具有耐低溫、耐腐蝕、自潤滑、熱膨脹率小及氣液密封性能良好等特點,壓縮率大于40%,回彈性大于15%,應力松弛小于5%。低溫密封材料要求具備滲透系數小,熱膨脹率低,低溫下仍保持較好的彈性,而一般密封材料在低溫條件下會產生較大的冷收縮,出現硬化變脆現象,導致密封失效。因此超低溫閥門選用柔性石墨作為填料,不銹鋼帶膨脹石墨纏繞式墊片作為密封墊片〔2〕。
2.2深冷處理
奧氏體不銹鋼作為超低溫球閥的關鍵密封副材料在常溫下處于亞穩定狀態。當溫度降低到相變點Ms以下時,材料中的奧氏體部分轉變成馬氏體,對于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體,且由于部分碳原子規則化排列占據體心立方點陣位置,使晶格沿C軸方向增長,從而體積發生變化引起內部應力的增加〔3〕,使原本經研磨后達到密封要求的密封面產生翹曲變形,造成密封失效。為了減少閥門構件結構尺寸在低溫使用過程中的改變,超低溫閥門材料在精加工前應進行深冷處理。奧氏體不銹鋼深冷處理尺寸改變如表2所示,一次深冷后試樣的最大變形量比較大,二次深冷后尺寸最大變形量有明顯的降低。為確保馬氏體的充分轉變,材料精加工前至少要對材料進行兩次深冷處理,盡量減少閥門在使用低溫條件下尺寸的改變。奧氏體不銹鋼進行深冷處理后,會有效解決材料在超低溫條件下形變的問題,從而保證低溫閥門密封性能。
2.3結構設計
( 1)長頸閥蓋
LNG超低溫閥門采用長頸閥蓋的目的是減小外界傳入裝置中的熱量,使填料部位遠離閥體中流過的介質LNG,保證填料部位的溫度在0℃以上,防止因填料函部分過冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結霜或凍結,使填料可以正常工作。整個閥門裝配體的模擬溫度場如圖1所示,閥蓋底部的溫度在0℃以下。所以必須采用長頸閥蓋結構使填料部位遠離閥蓋底部。
(2)滴水板
滴水板可以有效緩減閥體溫度向填料及閥桿上端的傳遞,進一步保證填料部位和閥桿上部的零件溫度在0℃以上。圖1和圖2分別為有滴水板和無滴水板整個閥體的溫度場模擬圖,通過對比可以看出,有滴水板的閥門閥蓋上端的溫度明顯升高。由于延長閥蓋上部的溫度較低,通常情況下閥門暴露在空氣中,遇到低溫閥蓋會液化成水珠。滴水板的直徑超過中法蘭直徑,可以防止低溫液化的水滴落在中法蘭螺栓上,避免螺栓的銹蝕。
( 3)泄壓部件
LNG氣化后體積擴大為原來的600多倍,異常升壓的問題普遍存在。當閥門關閉后,殘留在閥體腔內的LNG從周圍環境中大量吸收熱量迅速氣化,在閥體內產生很高的壓強,從而破壞球體及閥座組件,使閥門不能正常工作。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〔4〕。
4)防靜電結構
由于LNG介質的易燃易爆特性,在設計LNG超低溫閥門時,必須考慮防靜電措施。尤其是對PCTFE材料閥座,有聚集靜電的隱患,靜電能引起火花造成LNG燃燒和爆炸。在閥桿與閥體之間、閥桿與關閉件之間設置導通裝置,從而引出靜電,消除隱患。對金屬密封的超低溫閥門,可不設置導通裝置,閥體、閥桿及關閉件的電阻值應滿足規范的要求。
(5)閥體
LNG工況下閥體所承受的溫度應力、連接管道的膨脹和收縮附加應力都很大,要保持閥門密封不發生變形,應考慮閥體的剛度,一般采用整體式或鍛造式閥體。此外,為了防止低溫時應力集中的脆性破壞,殼體中應盡量避免出現尖角和凹槽等〔5〕。
(6)密封結構
在密封結構設計時,也要考慮采取相應的措施。在低溫下單獨填料密封容易泄漏,可用唇式密封圈、柔性石墨填料和O形圈3重密封,以保證填料處的密封。采用碟簧組預緊式結構,補償溫度波動變化時螺栓變形量的變化,同時防止長時間工作后填料等密封件的松弛(圖3)。
(7)防火結構
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重密封結構(圖4),閥桿密封部位也采用唇式密封圈、石墨填料組和O形圈多重密封結構。當火災發生時,唇式密封圈熔化失效,此時中腔石墨纏繞墊片和閥桿石墨填料組起主要密封作用,防止發生外漏。球體和閥座采用金屬閥座和非金屬密封環雙重密封結構(圖5)。當火災發生時,非金屬密封環熔化失效,金屬閥座在彈簧預緊力作用下將閥座推向球體而阻斷管線流體防止內漏。
2.4制造過程
LNG低溫閥門應控制其材料的化學成分,通過常溫拉伸、彎曲、硬度、金相以及低溫沖擊等檢測手段檢驗材料的力學性能。材料機加工過程中,采用PT、UT和RT等無損檢測方法進一步保證閥門材料不存在缺陷。閥門零部件采用加工中心加工,保證零件精度、光潔度。在加工裝配過程中應按照粗加工、深冷處理、精加工、研磨及裝配的工藝流程進行。對閥門零部件進行超聲波清洗、表面脫脂或脫油,確保閥門內腔及外表面達到一定的清潔度。
3 結構分析
3.1密封結構
閥門密封面在低溫時易變形,為此在計算密封預緊力時,在滿足許用比壓的基礎上,應適當增加超低溫閥門的閥座預緊力。常溫下密封比壓如圖6所示( 22MPa),符合要求。相同預緊力低溫下密封比壓如圖7所示( 9MPa),其值達不到密封要求。通過計算與試驗得出增加32%預緊力低溫下的密封比壓如圖8所示( 21MPa),其值達到密封要求。
3.2開關力矩
試驗得出球閥常溫和低溫關閉力矩(表3)。
分析球閥常溫與低溫關閉力矩可以得出,低溫下閥門的關閉力矩變大,其增大的原因主要有幾個方面。①介質在低溫下發生熱膨脹和蒸發,中腔壓力提高。②閥體、閥座和球體等零部件在低溫下發生收縮,配合間隙發生變化。③中法蘭螺栓在低溫下拉長,接觸剛度變小。④密封材料和球體在低溫下摩擦系數變大,無潤滑。⑤低溫下密封力(密封比壓)增大。⑥閥門結構影響。
3.3 材料性能
(1)沖擊韌性
針對閥體所選用的材料304,在常溫和-196℃下分別測量其沖擊韌性值(表4)。對比兩組數據可以看出,低溫下304的沖擊功依然很大,依然具有很高的韌性。
(2)線性膨脹
為了保證閥門在低溫下的密封性,應測量材料從室溫到-196℃時的線膨脹量,以確定密封件的配合尺寸。304的線膨脹試驗結果如表5所示。
3.4 焊接性能
( 1)袖管焊接LNG超低溫閥門盡量不采用焊接結構,在具有特殊要求的情況下才使用焊接結構。小口徑低溫球閥要求具備袖管結構,必須進行對接焊,焊接金相圖如圖9所示。焊縫、母材及融合線處均無顯微裂紋、無異常組織和晶粒粗大區。
(2)密封面堆焊
LNG超低溫截止閥及止回閥等閥門密封面的摩擦和磨損較大,密封面需要采用雙面鈷基堆焊形式,以提高閥門密封面的硬度和使用壽命。
圖10為密封面堆焊鈷基合金的金相圖和堆焊后由基體到堆焊層的硬度曲線。閥門密封面堆焊鈷基合金后,顯著提高密封面的硬度和耐磨性。
4 閥門試驗
低溫閥門在常溫下的閥門氦質譜儀檢驗,小口徑DN50以下內漏和外漏可達到10-8,大口徑DN50以上內漏和外漏可達10-7。除了氦質譜儀檢驗外,LNG低溫閥門檢驗內容如表6所示。
低溫性能試驗的目的是檢驗低溫閥門在低溫狀態下的操作性能和密封性能。操作性能要求閥門啟閉靈活,移動件和密封副不得發生擦傷或咬死;密封性能要求閥門密封面泄漏量小于標準泄漏量。
將閥門安裝在試驗容器里并連接好所有管路(圖11),確保閥門填料部分安裝在容器上部沒有低溫氣化氣體的位置。將閥門浸入液氮中冷卻,其浸入深度應為液氮的水平面至少蓋過閥體與閥蓋連接處的上端及填料部位的下端。在整個冷卻過程中,閥門內部應保持一定壓力的氦氣,以防止水分滲入閥門內部。閥門應保持在半開的位置(球閥應在全開位置)。在冷卻期間,用放置在適當位置的熱電偶監測閥門的溫度。當閥體與閥蓋的溫度達到-196℃時,按步驟操作。
①將試驗閥門在此試驗溫度下浸泡至少1h,直到閥門各處的溫度穩定為止,用熱電偶測試以確保閥門的溫度均勻。
②每開、關閥門一次,測量其開、關力矩。
③按閥門的正常流向做密封壓力試驗,按表7的增量增加壓力,直至達到產品要求的低溫密封試驗壓力為止,通過收集出口端的氣體體積檢測閥門的泄漏率。
5 結語
隨著LNG工廠、接收站、運輸船及氣化站的建設與發展,超低溫閥門將有更大的需求。在設計、制造LNG超低溫閥門時,需考慮材料、結構及試驗等對產品的影響,通過攻關課題的進一步研究,并用試驗方法對設計理論進行驗證,進而確定LNG超低溫閥門的設計結構,從而提高閥門的安全性和可靠性。