張建寶

（蘭州高壓閥門有限公司）

液化天然氣（LNG）是一種清潔、高效的能源。 在環(huán)境問題倍受重視的背景下，天然氣作為清潔能源越來越受到青睞。 根據(jù)國家能源規(guī)劃，預(yù)計(jì)“十三五”期間在運(yùn)、在建和未來幾年內(nèi)規(guī)劃建設(shè)的國內(nèi)LNG 接收站近30 座，接收能力超過60Mt。 LNG 從生產(chǎn)到消費(fèi)的整個(gè)流程中，需要用到大量的閥門，該類閥門屬于“超低溫閥門”［1］。據(jù)了解， 一座LNG 接收站需要配套4 000 多個(gè)各類閥門，其中2 300 多個(gè)需要從國外采購。 目前，低溫閘閥、截止閥和常規(guī)的止回閥已基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，LNG 管道用超低溫的高壓球閥、大口徑蝶閥、軸流式止回閥及高壓調(diào)節(jié)閥等均需進(jìn)口。 這些產(chǎn)品要求耐低溫、耐高壓、耐高壓差，仍需要組織國產(chǎn)化攻關(guān)，蘭州高壓閥門有限公司承擔(dān)了用于LNG 的超低溫軸流式止回閥的國產(chǎn)化任務(wù)。

1 概況

LNG 溫度-162℃，屬于易燃、易爆且滲透性強(qiáng)的超低溫介質(zhì)。 超低溫介質(zhì)的運(yùn)輸和儲存需要使用專用的超低溫閥門，以杜絕超低溫環(huán)境中閥門出現(xiàn)問題，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重事故。 根據(jù)使用工況的要求，LNG 系統(tǒng)設(shè)備配套的低溫閥門對安全性和可靠性的要求比普通低溫閥門的更高。 因此，LNG 超低溫軸流式止回閥多采用對焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括閥體、閥座、閥瓣、擋圈、密封圈、導(dǎo)向桿及彈簧等零部件（圖1）。

圖1 LNG 超低溫軸流式止回閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵部件

2.1 閥體

由于超低溫軸流式止回閥的進(jìn)出口壓降要求特別嚴(yán)格（不大于0.01MPa），所以其閥體均被設(shè)計(jì)成流線型，內(nèi)腔的導(dǎo)流罩與殼體一并整體鑄造成流線型且間距保持一致，可避免流體經(jīng)過流道時(shí)形成不穩(wěn)定流態(tài)［2］。

根據(jù)《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊》計(jì)算出該閥體壁厚SB′=24.75mm，實(shí)際壁厚SB=57.20mm，顯然SB>SB′，符合設(shè)計(jì)要求；采用SolidWorks 軟件分析，標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下閥體最大變形量為0.106 16mm（圖2）、閥體最大等效應(yīng)力約為115MPa（圖3），許用彎曲應(yīng)力138MPa，符合設(shè)計(jì)要求。

通過公式和SolidWorks 軟件雙重計(jì)算驗(yàn)證得出，閥體的壁厚、剛度和強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求，滿足工況使用條件［3］。

圖2 閥體變形云圖

圖3 閥體等效應(yīng)力云圖

2.2 密封副

超低溫軸流式止回閥的閥座采用堆焊硬質(zhì)合金，而閥座與閥體間的密封采用特殊的唇形圈密封（圖4），該唇形圈采用超低溫材料，可用于-196℃的低溫環(huán)境，密封效果很好，只是止回閥與唇形圈接觸面的精度要求極高，對廠家的設(shè)備加工能力要求也高，蘭州高壓閥門有限公司采用豪克能技術(shù)加工與唇形圈接觸的表面， 可滿足0.2μm 表面粗糙度的條件要求（圖4）。

圖4 唇形圈密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 特殊彈簧

軸流式止回閥內(nèi)部安裝的彈簧起著輔助閥瓣關(guān)閉的作用， 但對彈簧的力感應(yīng)度要求極高，在介質(zhì)作用力很小的情況下閥門就能打開，而在閥門全開時(shí)閥瓣與導(dǎo)流罩貼合，此時(shí)要求彈簧的作用力不能太大，不能讓閥瓣停留在閥座與導(dǎo)流罩之間，避免閥瓣產(chǎn)生顫動而使介質(zhì)出現(xiàn)紊流。

3 技術(shù)特點(diǎn)

超低溫閥門設(shè)計(jì)除了遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則外，還有一些特殊的要求：

a. 應(yīng)考慮閥門的主要部件能承受持久的或瞬間的溫度驟變而引起的應(yīng)力；

b. 在壓力和溫度交變作用下，不應(yīng)出現(xiàn)明顯的塑性變形；

c. 設(shè)計(jì)時(shí)，除了對閥體、閥瓣進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算外，還應(yīng)通過有限元應(yīng)力、抗振分析來確保閥門的可靠性。

在選材方面，必須選用優(yōu)質(zhì)低碳奧氏體不銹鋼作為LNG 超低溫軸流式止回閥的主體材料，通常鑄造成不銹鋼鑄件，而且必須通過射線探傷檢驗(yàn)。 鑄件中鐵素體含量低于3%時(shí)，影響其焊接性能；高于12%時(shí)，會形成鏈狀連接的馬氏體，影響整體力學(xué)性能和形變。 因此，超低溫鑄造不銹鋼中鐵素體含量宜在4%～12%之間。 測試成品閥體6 個(gè)部位 （圖5） 的鐵素體含量， 分別為5.7%、6.9%、6.6%、6.7%、6.3%、6.4%，平均值約為6.4%。

圖5 閥體鐵素體測試部位示意圖

在滿足強(qiáng)度、剛度的要求時(shí)，應(yīng)力求零件的重量最小，以減小熱傳導(dǎo)損失；由于“超低溫”工況下閥體所承受的溫度應(yīng)力、連接管道的膨脹和收縮應(yīng)力都很大，為了防止低溫時(shí)應(yīng)力集中的脆性破壞，殼體中的尖角、凹槽等應(yīng)盡量避免。 最后，需要特別強(qiáng)調(diào)的是閥門鑄件達(dá)到-196℃時(shí)，保溫2～6h，重復(fù)循環(huán)兩次，以消除相變的影響。 否則，在低溫下會發(fā)生馬氏體相變，引起閥門變形，導(dǎo)致閥門泄漏。

閥門的密封性能是衡量其質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標(biāo)。 首先杜絕“外漏”，該閥門采用對焊連接方式，無疑減少了泄漏點(diǎn)，在閥座與閥體部位均嚴(yán)格保證接觸表面的精度， 并選用特殊的唇形圈，使密封性能達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。 其次杜絕“內(nèi)漏”，通過采取校核內(nèi)件剛度、控制加工精度和“深冷處理”的措施，保證了密封件的剛度，有效防止低溫下的變形。

4 結(jié)束語

LNG 超低溫軸流式止回閥的低溫工況和危險(xiǎn)介質(zhì)，嚴(yán)控設(shè)計(jì)和生產(chǎn)精度極為重要，尤其是閥體流線型的設(shè)計(jì)起到關(guān)鍵作用，直接影響閥門進(jìn)出口的壓降，運(yùn)用SolidWorks 軟件進(jìn)行有限元模擬分析完成優(yōu)化設(shè)計(jì)。 用于LNG 的鑄件必須經(jīng)射線探傷檢驗(yàn)為優(yōu)質(zhì)，且通過先進(jìn)的機(jī)加工工藝來保證閥門的質(zhì)量。 隨著低溫工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，超低溫軸流式止回閥將有更大的需求。