上海申弘閥門有限公司
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低溫下壓縮成液化天然氣閥門設(shè)計(jì)與工藝概述 低溫下壓縮成液化天然氣閥門設(shè)計(jì) 天然氣閥
之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹天然氣經(jīng)脫水、精制和冷卻，在－ 163 ℃低溫下壓縮成液化天然氣( Liquefied Natural Gas － LNG) ，節(jié)省儲(chǔ)存和運(yùn)輸空間，降低儲(chǔ)運(yùn)成本。因此，LNG具有天然氣的易燃易爆性。閥門對(duì)LNG 裝置安全可靠地運(yùn)行具有極為重要的作用。雖然閥門占LNG 接收站總投資的百分之幾，但在日常維修中要占總維修費(fèi)用的50% 以上。根據(jù)LNG 設(shè)備事故案例分析，有多起案例因閥門故障和失效造成LNG 泄漏，使整個(gè)裝置停機(jī)甚至燃燒爆炸。
低溫下壓縮成液化天然氣閥門設(shè)計(jì)與工藝LNG 閥門
LNG 裝置上使用的超低溫閥門主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有JB /T 7749、GB /T 24925、BS 6364、MSS SP－134和MESC SPE77 /200 等。
低溫下壓縮成液化天然氣閥門設(shè)計(jì)與工藝閥門材料
LNG 閥門正常工作溫度為約－ 163 ℃，在此溫度下，金屬材料將發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象，即強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性大幅下降，這會(huì)嚴(yán)重影響閥門的安全性。為防止材料在低溫下的低應(yīng)力脆斷，閥體和閥瓣等部件常采用奧氏體不銹鋼。如304、304L、316、316L 等，其中316L 穩(wěn)定性。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性和焊接性，線膨脹系數(shù)低。但是奧氏體不銹鋼中S 和P 等雜質(zhì)會(huì)降低材料的強(qiáng)度及低溫沖擊韌性，應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥閥體、閥蓋、閥瓣、閥座和閥桿等部件必須進(jìn)行低溫深冷處理，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體和變形充分后再進(jìn)行精加工，以降低溫度對(duì)超低溫閥門密封性能的影響。低溫處理溫度應(yīng)低于材料相變溫度且低于閥門實(shí)際工作溫度。處理時(shí)間1 ～ 2 h，然后取出自然冷卻到常溫，重復(fù)循環(huán)2 次。工藝系統(tǒng)閥門應(yīng)滿足輸送LNG的壓力和流量要求，同時(shí)必須具備耐-196℃的低溫性能。常用的LNG閥門主要有增壓調(diào)節(jié)閥、減壓調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、低溫截止閥、安全閥、止回閥等。閥門材料為0Cr18Ni9。
2. 管材、管件、法蘭選型設(shè)計(jì)
①介質(zhì)溫度≤-20℃的管道采用輸送流體用不銹鋼無(wú)縫鋼管(GB/T14976—2002)，材質(zhì)為0Cr18Ni9。管件均采用材質(zhì)為0crl8Ni9的無(wú)縫沖壓管件(GB/T 12459—90)。法蘭采用凹凸面長(zhǎng)頸對(duì)焊鋼制管法蘭(HG 20592—97)，其材質(zhì)為0Cr18Ni9。法蘭密封墊片采用金屬纏繞式墊片，材質(zhì)為0crl8Ni9。緊固件采用雙頭螺柱、螺母，材質(zhì)為0Crl8Ni9。
②介質(zhì)溫度>-20℃的工藝管道，當(dāng)公稱直徑≤200 mm時(shí)，采用輸送流體用無(wú)縫鋼管(GB/T8163—1999)，材質(zhì)為20號(hào)鋼；當(dāng)公稱徑>200mm時(shí)采用焊接鋼管(GB/T 3041—2001)，材質(zhì)為Q235B。管件均采用材質(zhì)為20號(hào)鋼的無(wú)縫沖壓管件(GB/T 12459—90)。法蘭采用凸面帶頸對(duì)焊鋼制管法蘭(HG 20592—97)，材質(zhì)為20號(hào)鋼。法蘭密封墊片采用柔性石墨復(fù)合墊片(HG 20629—97)。
LNG工藝管道安裝除必要的法蘭連接外，均采用焊接連接。低溫工藝管道用聚氨酯絕熱管托和復(fù)合聚乙烯絕熱管殼進(jìn)行絕熱。碳素鋼工藝管道作防腐處理。
3. 冷收縮問(wèn)題
LNG管道通常采用奧氏體不銹鋼管，材質(zhì)為0crl8Ni9，雖然其具有優(yōu)異的低溫機(jī)械性能，但冷收縮率高達(dá)0．003。站區(qū)LNG管道在常溫下安裝，在低溫下運(yùn)行，前后溫差高達(dá)180℃，存在著較大的冷收縮量和溫差應(yīng)力，通常采用“門形”補(bǔ)償裝置補(bǔ)償工藝管道的冷收縮。
特殊要求
(1) 設(shè)計(jì)與工藝
防止LNG 泄漏非常重要。為減少泄漏點(diǎn)，閥體要求鍛造( 或鑄造) 整體成型。端法蘭采用對(duì)焊連接，慎用法蘭連接。為保證對(duì)焊端面焊后低溫機(jī)械性能，閥體應(yīng)選用低碳奧氏體不銹鋼304L 或316L。對(duì)于閥門部件的強(qiáng)度焊接，應(yīng)實(shí)施焊接工藝評(píng)定。
奧氏體不銹鋼在焊接熱影響區(qū)由于碳化物析出和馬氏體形成，會(huì)引起低溫脆性，焊后進(jìn)行固溶處理。閥門部件原材料質(zhì)量要嚴(yán)格控制。與LNG 直接或間接接觸的部件必須進(jìn)行滲透、超聲波或射線等無(wú)損檢測(cè)，還須深冷處理及－ 196℃ 低溫沖擊試驗(yàn)。所用奧氏體不銹鋼要求進(jìn)行固溶、退火熱處理供貨。
低溫閥門的閥桿應(yīng)設(shè)計(jì)為防吹出結(jié)構(gòu)。低溫工況頻繁操作的閥門，其內(nèi)件應(yīng)能避免引起卡阻、咬合和擦傷等。低溫閥閥體在滿足強(qiáng)度要求時(shí)，對(duì)不同壁厚的閥體連接應(yīng)逐漸過(guò)渡，避免壁厚突變引起應(yīng)力集中。壁厚設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)引起焊接裂紋。
低溫閥各部件在溫度和壓力的交變載荷作用下不應(yīng)出現(xiàn)明顯的彈性塑性變形，因此，在閥門設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了對(duì)閥體、閥蓋、閥桿和閥瓣進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算外，還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗震分析來(lái)確保閥門的可靠性。
(2) 加長(zhǎng)閥蓋
低溫閘閥、截止閥、球閥和蝶閥的閥蓋應(yīng)設(shè)計(jì)成便于保冷的加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)( 長(zhǎng)頸閥蓋) 。閥蓋的長(zhǎng)頸部分可采用與本體材質(zhì)相同的無(wú)縫鋼管對(duì)焊到閥蓋和填料箱上，焊后應(yīng)進(jìn)行熱處理以消除應(yīng)力。加長(zhǎng)閥蓋可使填料函底部的工作溫度高于0℃。如果填料函結(jié)冰，不但影響閥桿的正常操作，而且也會(huì)因閥桿的上下運(yùn)動(dòng)劃傷填料，造成密封失效。閥桿與長(zhǎng)頸部分的間隙應(yīng)按盡可能小的對(duì)流熱損失設(shè)計(jì)，但間隙對(duì)填料函溫度影響很小，閥蓋長(zhǎng)度和閥徑厚度是影響填料函溫度的主要因素。加長(zhǎng)閥蓋下部焊接滴水盤(pán)，可防止冷凝水進(jìn)入保冷層，避免或減少保溫層下腐蝕( CUI) 。
(3) 防異常升壓
當(dāng)球閥和閘閥關(guān)閉時(shí)，閥門中腔殘留的LNG 因周圍環(huán)境的相對(duì)高溫引起的熱傳遞會(huì)快速升溫氣化、壓力急劇升高。過(guò)高的氣壓可能導(dǎo)致閥桿密封泄漏、中法蘭密封泄漏、閥體緊固件失效等。高壓泄放通常采用閥門內(nèi)部或外部泄放。內(nèi)部泄放是指閥門進(jìn)口端采用彈性泄放閥座或在閘板( 圖1) 及球體( 圖2) 上開(kāi)設(shè)泄壓孔連通中腔和管道進(jìn)口端。一旦異常升壓，中腔介質(zhì)泄放至進(jìn)口管道，可保持閥門中腔與管道進(jìn)口段壓力平衡。外部泄放是在中腔閥體外安裝減壓閥，當(dāng)中腔壓力達(dá)到泄放壓力時(shí)，中腔介質(zhì)通過(guò)減壓閥進(jìn)入泄放氣收集系統(tǒng)。通常，對(duì)于DN≤300 的低溫閘閥，在閘板( 球體) 上開(kāi)設(shè)平衡孔。DN300 以上閥門在閥體外設(shè)旁路減壓閥。低溫閘閥的泄壓孔 低溫球閥的泄壓孔圖1 低溫閘閥的泄壓孔 圖2 低溫球閥的泄壓孔常用的超低溫閥門
(1) 閘閥
標(biāo)準(zhǔn)低溫閘閥是單向密封的，其彈性閘板上開(kāi)有3 mm 的泄放孔，連通閥腔與上游管道。閥腔異常升壓時(shí)，可通過(guò)泄放孔與上游管道達(dá)到壓力平衡。在閥內(nèi)部，上游介質(zhì)壓力將彈性閘板緊壓在下游閥座密封圈上，實(shí)現(xiàn)下游低壓側(cè)密封。雙向密封閘閥是在閥腔外設(shè)置減壓閥，而不必在閘板上開(kāi)孔。外部泄壓使閘閥實(shí)現(xiàn)上下游雙向密封。超低溫閘閥須在閥體上標(biāo)識(shí)介質(zhì)流向。
(2) 球閥
超低溫球閥采用頂裝式結(jié)構(gòu)。軟密封球閥價(jià)格便宜，泄漏率低，僅用于小口徑低壓工況。相對(duì)而言，硬密封球閥價(jià)格高，泄漏率高，但可用于含有固體顆粒的流體，其耐沖刷、耐磨損性能好。LNG 軟密封閥座選可經(jīng)受－ 196 ℃ 的PCTFE( KEL－F) 。軟密封球閥限于小口徑低壓工況。而大口徑高壓球閥應(yīng)選用金屬對(duì)金屬硬密封結(jié)構(gòu)。用于低溫工況的對(duì)焊閥門執(zhí)行ANSI B16. 34 規(guī)定的特殊等級(jí)要求。超低溫球閥須在閥體上標(biāo)識(shí)介質(zhì)流向。
(3) 蝶閥
超低溫蝶閥要求雙向密封。LNG 蝶閥大多采用對(duì)焊端面。對(duì)焊蝶閥連接強(qiáng)度高( 其承受的載荷至少是法蘭連接閥門的2 倍) ，連接更為可靠( 減少了潛在的法蘭泄漏) ，維修方便(特別是大口徑蝶閥的閥座、蝶板和閥桿等可以在線更換) ，且維修工作量小，時(shí)間短。超低溫蝶閥須在閥體上標(biāo)識(shí)流向?；诘蜏亟橘|(zhì)對(duì)密封性能的影響，蝶閥的密封宜采用雙偏心或三偏心結(jié)構(gòu)，以減輕或消除蝶閥啟閉過(guò)程中密封面的過(guò)度擠壓或刮擦等現(xiàn)象，降低磨損，提高使用壽命。KSB 閥門閥座密封采用Lip Seal結(jié)構(gòu)，取得很好的密封效果。閥桿密封選用低逸散組合填料，可使填料密封滿足TA－Luft 標(biāo)準(zhǔn)。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
