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

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

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

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M S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

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

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

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