超低温阀门技术在LNG装置的应用与研究

超低温阀门技术在LNG装置的应用与研究

目录

一、概述

二、超低温阀门技术

2.1材料的选择 2.2深冷处理 2.3结构设计 2.4制造控制

三、超低温下开关扭矩的研究 四、瞬态模拟 五、低温材料的研究 六、试验要求

1

一、概述

液化天然气（LNG）是一种新兴的清洁、节能能源。其主要成分是甲烷、少量乙炔、丙烷以及其他成分，沸点：-162.5℃，熔点：-182℃，着火点：650℃。具有分子量小、粘度低、渗透性强、泄漏易于扩散等特性。

天然气液化技术已成为一项重大的先进技术，是国家“十二五”期间调整能源结构重点推广工作，并加快推进大型液化天然气的发展。LNG工厂、接收站、运输、气化站等装置所使用的超低温阀门是LNG项目的关键设备。

LNG超低温阀门使用寿命长，安全可靠，一经安装在管路上就不能卸载，要求小故障能在线维修。目前超低温阀门大部分依赖进口，国产化还存在一定技术课题需要攻关。大连大高自八十年代就开始研制乙烯等项目用低温阀门，并替代进口产品，目前正承担国家LNG重大国产化项目超低温阀门的研制任务。

LNG超低温阀门研究课题：

*解决低温（-196℃）条件下阀门的密封安全、可靠性； *填料等非金属材料的低温老化及寿命问题； *解决填料上冻、滴水盘安装最佳位置等问题； *解决低温条件下阀门开启力矩变化； *研究材料低温下的性能及变化量； *解决低温阀门低泄漏及低温检测问题

2

二、超低温阀门技术

2.1材料的选择

随着LNG迅速发展，超低温阀的应用越来越广泛，其阀门使用特性与材料的选择和处理是保证阀门在低温状态下性能的关键。在选择低温条件下使用材料时，应考虑到以下两个方面的要求：

1） 材料在超低温条件下要有足够的韧性，以防止脆性断裂。 2） 超低温条件下的材料要有足够组织稳定性，以保证在低温条件下不会因相变导致变形继而影响阀门的密封性。

2.1.1奥氏体不锈钢

在低温条件下，体心立方间隙杂质原子与位错和晶界相互作用的强度增加，阻碍位错运动、封锁滑移的作用加剧，使得对变形的适应能力减弱，表现出低温脆性，而面心立方结构不存在这些问题，表现出较好的低温塑韧性。体心立方和面心立方结构如下图所示：

我们选用具有面心立方结构的奥氏体不锈钢ASTM 304(CF8)、304L(CF3)、316（CF8M）、316L(CF3M)等作为超低温阀门的主承压件材料。

2.1.2 PCTFE

PCTFE是三氟氯乙烯（CTFE）的聚合物，是一种热塑性树脂。PCTFE

3

在液化天然气中不发生脆裂，不蠕变。在非金属材料中具有最低的水—汽渗透率，不渗透任何气体，是一种良好的密封聚合物。PCTFE的耐低温性好，在一定条件下能在-252℃下使用。

基于PCTFE在低温下的性能，所以选其作为球阀阀座等关键零部件的密封材料。

2.1.3柔性石墨

柔性石墨材料具有耐低温、耐腐蚀、自润滑、热膨胀率小及气液密封性能良好等特点，压缩率大于40%，弹回性大于15%，应力松弛小于5%。因此，我们选其为超低温阀门填料和缠绕垫片的材料。

2.2深冷处理

奥氏体不锈钢作为低温阀门的主承压材料在常温下处于亚稳定状态，当温度降低到相变点MS以下时，材料中部分奥氏体会转变为体心立方晶格的马氏体，阀门密封结构会有一定的变形。因此，通过几次深冷处理，消除材料相变、塑性变形的影响，从而保证低温阀门的密封性能。

奥氏体不锈钢深冷处理变形量

试样编号 1 2 3 4 一次深冷后最大变形量um 正面 反面 2 3 2.5 2.8 2.5 2.5 2 1 二次深冷后最大变形量um 正面 反面 0.7 1.0 0.9 1.0 0.8 0.9 1.0 0.8 备注 -196℃处理

4

2.3结构设计

由于超低温阀门介质的特殊性，超低温阀门的结构与其他阀门的结构有许多不同。

2.3.1长颈阀盖结构

在低温状态下，随着时间的增加，填料的弹性会逐渐变小。因此，低温阀门采用阀盖加长结构形式，升高填料函的位置，以使填料在0℃以上的环境中工作。通过计算分析与试验确定阀盖长颈尺寸与阀门口径的关系如下表所示。

长颈阀盖尺寸与阀门口径的关系

25 口径 阀盖尺寸 250 40 260 50 300 80 350 150 400 250 450 350 500 2.3.2滴水板结构

滴水板结构可以有效缓解阀体温度向填料及阀体上端的传递，保证填料部位和阀杆上部的零件温度在0℃以上。滴水板的直径超过阀门中法兰直径，可以防止低温液化的水蒸气滴落在中法兰螺栓上而引起锈蚀，影响在线维修。

2.3.3泄压部件设计

LNG气化后体积扩大为原来的600多倍，异常升压的问题普遍存在。当阀门关闭后，残留在阀体腔内的LNG从周围环境中大量吸收热量迅速气化，在阀体内产生很高的压强，从而破坏球体及阀座组件，使阀门不能正常工作。所以在入口端加泄压孔，以保证腔体和入口管道的压力平衡，防止腔体异常升压。

2.3.4防静电结构设计

5

由于LNG易燃易爆性，所以设计时要考虑防静电措施，设置导通装置，对金属密封的阀门，阀体、阀杆、关闭件的电阻值要满足规范的要求。

2.3.5阀体壁厚设计

LNG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，要保持阀门密封不发生变形，应考虑阀体的刚度，一般采用整体式或锻造式阀体。

2.3.6整体锻造式阀盖结构设计

采用整体锻造式阀盖结构，避免了组焊式结构出现焊接应力等缺陷的现象，同时减少整体的泄漏点数量，保证整机的密封可靠性。

2.3.7倒密封上移结构设计

阀盖倒密封上移式结构，是保证倒密封部位处于常温位置，有利于倒密封结构密封，实现在线更换填料等密封件。

2.3.8上装式结构设计

采用上装式结构设计，阀座处采用压缩弹簧形式，可以实现从中法兰处将球体及阀座等内件取出，实现在线维修。

2.3.9阀杆密封结构设计

在LNG低温条件下单独填料密封容易泄漏，我们通过唇式密封圈、柔性石墨填料、O型圈3重密封来保证填料处的密封，采用碟簧组预紧式结构，补偿温度波动变化时螺栓变形量的变化，同时防止长时间工作后填料等密封件的松弛。

2.3.10密封面密封结构设计

6

超低温球阀采用弹簧补偿，球面吻合的方式结构；超低温闸阀、截止阀采用平面密封的方式。

2.3.11阀盖法兰密封结构设计

为保证中法兰在低温条件下的密封可靠性在中法兰处采用双重密封结构：缠绕垫片和唇式密封圈结构。

弹簧可以提供永久性弹力补偿，保证在材料磨损及配合偏移的情况下能够自动补偿密封间隙，保证密封可靠。在弹簧和系统介质压力共同作用下能够完全实现有效密封。

2.3.12防火设计

阀体和阀盖连接部位采用唇式密封圈和石墨缠绕垫片的双道密封结构，阀杆密封部位也采用唇式密封圈、石墨填料组和O形圈多重密封结构。当火灾发生时，唇式密封圈熔化失效，此时中腔石墨缠绕垫片和阀杆石墨填料组起主要密封作用，防止发生外漏。

采用超低温阀门技术的低温球阀： 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

7

双向/单向流动；

最小的压力损失，流阻很小； 采用低温变形小的材料，密封可靠； 最小的流体振动； 自动泄荷；

紧凑结构，可以实现在线维修； 重量轻。

2.4制造控制 2.4.1材料控制 1）化学成分 2）力学性能

（1）常温：拉伸、弯曲、硬度、金相 （2）低温：冲击、拉伸 2.4.2制造控制 1）粗加工 2）深冷处理 3）精加工 4）研磨 5）装配 2.4.3清洁度 1）超声波清洗

2）表面脱脂、脱油、吹干 2.4.4检测

1）无损检测：PT、UT、RT等 2）性能试验 *壳体强度试验 *密封试验 *动作性能试验 *氦气检验

8

3.1低温下密封力的研究

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，应适当增加超低温阀门的阀座预紧力。 三、超低温下开关扭矩的研究

不同口径的球阀在常温和低温下的关闭力矩进行试验对比结果如下表：

常温球阀关闭力矩

150-2 口径 力矩（N.m） 12 150-3 18 150-4 25 150-6 300 150-8 800

低温球阀关闭力矩

150-2 口径 力矩（N.m） 18 150-3 22 150-4 30 150-6 380 150-8 950

对比两个表可以看出相同口径的球阀低温下的关闭力矩要大于常温下的关闭力矩。

通过分析与试验低温关闭力矩增大的主要原因有以下几个方面： 1、 介质在低温下发生热膨胀和蒸发，中腔压力提高； 2、 阀体、阀座、球体等零部件在低温下发生收缩，配合间隙发生变化所致；

3、 中法兰螺栓在低温下拉长，接触刚度变小； 4、 密封材料和球体在低温下摩擦系数的变大，无润滑； 5、 低温下密封力（密封比压）增大；

9

6、 阀门结构影响。

截止阀是旋转升降阀杆形式，阀杆在旋转的过程中增大开关扭矩，我们采用了阀杆升降式结构，即减小了开关扭矩的同时也保证了填料不容易拉伤。

3.3温度变化特性研究 热固耦合分析 1、瞬态温度变化特性 2、材料机械强度和传热率 3、有限元（热力学）分析 四、瞬态模拟

1）低温耦合作用下的阀门累积损伤理论研究

对现有的疲劳累积损伤理论如线性、非线性疲劳累积损伤理论、基于热力学疲劳累积损伤理论以及概率疲劳累积损伤理论等进行分析对比，分析LNG装置中阀门主承压零件的受力特点，其包括热应力、机械应力以及管道膨胀和收缩产生的附加应力。选取适合阀门材料特性以及工作状态的疲劳累积损伤理论，对相应的疲劳累积损伤计算模型进行修正，并根据计算模型，确定材料低温下性能参数等。

2）低温耦合作用下阀门的强度CAE计算分析

通过阀门在不同工况下阀体上危险点处综合应力场分布，研究确定关键点处最大循环应力幅，局部应力应变法以及弹塑性有限元分析，将阀门阀体上应力转换为危险部位的局部循环应力-应变载荷，考虑温度，压力交变下的各种载荷作用力叠加，而产生的材料弹性，塑性变形。最后结合疲劳载荷谱和阀体材料的应变寿命关系对阀门的

10

疲劳寿命进行计算。 五、低温材料的研究

5.1低温金相组织的研究

一次深冷处理后组织结构有明显改变，二次处理后组织结构几乎不改变，所以材料在二次深冷处理后再精加工可减少相变引起结构尺寸的改变，确保材料在低温下的密封可靠性。

5.2低温韧性的研究

304常温冲击试验结果

试验组别 常温 试样编号 1 2 3 试样规格/mm 10*10*55 10*10*55 10*10*55 冲击功/J 272 286 286 平均值/J 281.3

304低温冲击试验结果

试验组别 -196℃ 试样编号 1 2 3 试样规格/mm 10*10*55 10*10*55 10*10*55 冲击功/J 146 168 160 平均值/J 158

5.3低温材料焊接的研究

超低温阀门设计时尽量不采用焊接结构，但技术规格书有特殊要求的焊接时（袖管），要对以下两个方面进行控制和研究以保证焊缝

11

在低温下的安全可靠性。

*成型裂纹

不锈钢导热系数小，线膨胀系数大，在局部焊接过程中，易形成较大拉应力：材料中的S、P、B、Cu等杂质元素，易在晶间形成液态膜和柱态晶焊接组织，造成凝固裂纹，因此要控制S、P、B、Cu等杂质元素含量。

低温阀门需要在常温和低温下做密封试验，动作性能等试验 六、试验要求

1、 安全要求

高压其他测试有潜在危险，要遵守安全规则，并采取足够安全措施。

2、 温度要求

低温试验允许阀门监测温度不超过5℃。 3、 气体要求

使用纯度大于97%的氦气。

下表时LNG低温阀门试验项目，检测阀门常温、低温状态下操作性能和密封性能。

LNG低温阀门试验项目

常温试验项目 壳体试验 上密封试验 填料密封试验 高压密封试验 低压密封试验 动作试验 低温试验项目 内漏 外漏 （氦检） 开关力矩 启闭试验 阀座 填料 体、盖 阀体、阀盖、填料温度 12

低温阀门低温下的密封试验按下表增量增加压力，压力达到试验压力为止，通过收集出口端的气体体积判断阀门的泄漏速率。

增量增加压力值

公称压力级别 150Lb 300Lb 600Lb 初始压力值 （kg/cm2） 增量增加压力值（kg/cm2） 2 2 2 3.5 7 15 7 14 30 10.5 21 45 14 28 60 21 55 110

13