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)計與工藝概述 低溫下壓縮成液化天然氣閥門設(shè)計 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)省儲存和運輸空間，降低儲運成本。因此，LNG具有天然氣的易燃易爆性。閥門對LNG 裝置安全可靠地運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，使整個裝置停機甚至燃燒爆炸。
低溫下壓縮成液化天然氣閥門設(shè)計與工藝LNG 閥門
LNG 裝置上使用的超低溫閥門主要設(shè)計標(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，即強度和硬度升高，塑性和韌性大幅下降，這會嚴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)會降低材料的強度及低溫沖擊韌性，應(yīng)嚴格控制其含量。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥閥體、閥蓋、閥瓣、閥座和閥桿等部件必須進行低溫深冷處理，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體和變形充分后再進行精加工，以降低溫度對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際工作溫度。處理時間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
①介質(zhì)溫度≤-20℃的管道采用輸送流體用不銹鋼無縫鋼管(GB/T14976—2002)，材質(zhì)為0Cr18Ni9。管件均采用材質(zhì)為0crl8Ni9的無縫沖壓管件(GB/T 12459—90)。法蘭采用凹凸面長頸對焊鋼制管法蘭(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，采用輸送流體用無縫鋼管(GB/T8163—1999)，材質(zhì)為20號鋼；當(dāng)公稱徑>200mm時采用焊接鋼管(GB/T 3041—2001)，材質(zhì)為Q235B。管件均采用材質(zhì)為20號鋼的無縫沖壓管件(GB/T 12459—90)。法蘭采用凸面帶頸對焊鋼制管法蘭(HG 20592—97)，材質(zhì)為20號鋼。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行絕熱。碳素鋼工藝管道作防腐處理。
3. 冷收縮問題
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)異的低溫機械性能，但冷收縮率高達0．003。站區(qū)LNG管道在常溫下安裝，在低溫下運行，前后溫差高達180℃，存在著較大的冷收縮量和溫差應(yīng)力，通常采用“門形”補償裝置補償工藝管道的冷收縮。
特殊要求
(1) 設(shè)計與工藝
防止LNG 泄漏非常重要。為減少泄漏點，閥體要求鍛造( 或鑄造) 整體成型。端法蘭采用對焊連接，慎用法蘭連接。為保證對焊端面焊后低溫機械性能，閥體應(yīng)選用低碳奧氏體不銹鋼304L 或316L。對于閥門部件的強度焊接，應(yīng)實施焊接工藝評定。
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，會引起低溫脆性，焊后進行固溶處理。閥門部件原材料質(zhì)量要嚴格控制。與LNG 直接或間接接觸的部件必須進行滲透、超聲波或射線等無損檢測，還須深冷處理及－ 196℃ 低溫沖擊試驗。所用奧氏體不銹鋼要求進行固溶、退火熱處理供貨。
低溫閥門的閥桿應(yīng)設(shè)計為防吹出結(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度要求時，對不同壁厚的閥體連接應(yīng)逐漸過渡，避免壁厚突變引起應(yīng)力集中。壁厚設(shè)計不當(dāng)會引起焊接裂紋。
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)計過程中，除了對閥體、閥蓋、閥桿和閥瓣進行常規(guī)的強度計算外，還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗震分析來確保閥門的可靠性。
(2) 加長閥蓋
低溫閘閥、截止閥、球閥和蝶閥的閥蓋應(yīng)設(shè)計成便于保冷的加長結(jié)構(gòu)( 長頸閥蓋) 。閥蓋的長頸部分可采用與本體材質(zhì)相同的無縫鋼管對焊到閥蓋和填料箱上，焊后應(yīng)進行熱處理以消除應(yīng)力。加長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，而且也會因閥桿的上下運動劃傷填料，造成密封失效。閥桿與長頸部分的間隙應(yīng)按盡可能小的對流熱損失設(shè)計，但間隙對填料函溫度影響很小，閥蓋長度和閥徑厚度是影響填料函溫度的主要因素。加長閥蓋下部焊接滴水盤，可防止冷凝水進入保冷層，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，閥門中腔殘留的LNG 因周圍環(huán)境的相對高溫引起的熱傳遞會快速升溫氣化、壓力急劇升高。過高的氣壓可能導(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)部泄放是指閥門進口端采用彈性泄放閥座或在閘板( 圖1) 及球體( 圖2) 上開設(shè)泄壓孔連通中腔和管道進口端。一旦異常升壓，中腔介質(zhì)泄放至進口管道，可保持閥門中腔與管道進口段壓力平衡。外部泄放是在中腔閥體外安裝減壓閥，當(dāng)中腔壓力達到泄放壓力時，中腔介質(zhì)通過減壓閥進入泄放氣收集系統(tǒng)。通常，對于DN≤300 的低溫閘閥，在閘板( 球體) 上開設(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，其彈性閘板上開有3 mm 的泄放孔，連通閥腔與上游管道。閥腔異常升壓時，可通過泄放孔與上游管道達到壓力平衡。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，而不必在閘板上開孔。外部泄壓使閘閥實現(xiàn)上下游雙向密封。超低溫閘閥須在閥體上標(biāo)識介質(zhì)流向。
(2) 球閥
超低溫球閥采用頂裝式結(jié)構(gòu)。軟密封球閥價格便宜，泄漏率低，僅用于小口徑低壓工況。相對而言，硬密封球閥價格高，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)選用金屬對金屬硬密封結(jié)構(gòu)。用于低溫工況的對焊閥門執(zhí)行ANSI B16. 34 規(guī)定的特殊等級要求。超低溫球閥須在閥體上標(biāo)識介質(zhì)流向。
(3) 蝶閥
超低溫蝶閥要求雙向密封。LNG 蝶閥大多采用對焊端面。對焊蝶閥連接強度高( 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，時間短。超低溫蝶閥須在閥體上標(biāo)識流向。基于低溫介質(zhì)對密封性能的影響，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程中密封面的過度擠壓或刮擦等現(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
