介紹了液化天然氣裝置用超低溫閥門(mén)的工況特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝及其材料的選擇與處理方法。分析了超低溫閥門(mén)的密封結(jié)構(gòu)、關(guān)閉力矩及相關(guān)零件的材料性能。給出了超低溫閥門(mén)的低溫密封試驗(yàn)裝置系統(tǒng)和試驗(yàn)的步驟與結(jié)果。

　　隨著天然氣液化技術(shù)的快速發(fā)展，液化天然氣(LNG) 的消費(fèi)量目前正以每年10%的速度增長(zhǎng)，已成為一種新興的節(jié)能和清潔能源。LNG 的主要成分為甲烷、少量乙烷、丙烷以及其他成分，其沸點(diǎn)為- 162 ℃，熔點(diǎn)為- 182℃，燃點(diǎn)為650℃。LNG 的分子量小，粘度低，滲透性強(qiáng)，易于泄漏和擴(kuò)散，在其生產(chǎn)、接收、運(yùn)輸和氣化等裝置中，超低溫閥門(mén)對(duì)其系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有極為重要的作用。目前，LNG 關(guān)鍵設(shè)備用的閥門(mén)需要通過(guò)技術(shù)攻關(guān)和研發(fā)超低溫球閥、截止閥、止回閥及蝶閥等，以解決產(chǎn)品依賴(lài)于進(jìn)口和盡快國(guó)產(chǎn)化的技術(shù)難題。

閥門(mén)特性

材料選擇

　　(1) 奧氏體不銹鋼

　　超低溫閥門(mén)材料應(yīng)具有足夠的韌性和組織穩(wěn)定性，以保證在低溫下不會(huì)因相變導(dǎo)致變形繼而影響閥門(mén)的密封性。通常情況下體心立方結(jié)構(gòu)有明顯的低溫脆性，而面心立方結(jié)構(gòu)有很好的低溫韌塑性。選用面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體不銹鋼304、304L、316、316L 作為閥體、閥座、閥瓣及球體等關(guān)鍵零部件的材料，這些材料沒(méi)有低溫冷脆臨界溫度，在低溫條件下，仍能保持較高的韌塑性。在27 ～-269℃時(shí)，材料304、304L、316 隨著溫度的降低，其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都增高。其中材料316L 的低溫結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定，所以選其作為閥門(mén)關(guān)鍵承壓部件的材料。

　　(2) PCTFE

　　PCTFE 為三氟氯乙烯( CTFE) 的聚合物，是一種熱塑性樹(shù)脂，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為

　　由于PCTFE 分子結(jié)構(gòu)中C -Cl 鍵的引入，除了耐熱性及化學(xué)惰性較聚四氟乙烯、四氟乙烯-六氟丙烯共聚物稍差外，硬度、剛性及其耐蠕變性均較好，滲透性及熔點(diǎn)和融熔粘度都較低。PCTFE 在液氦、液氧和液化天然氣中不發(fā)生脆裂，不蠕變。在所有的非金屬材料中，PCTFE 具有最低的水- 汽滲透率，不滲透任何氣體，不助燃，是一種良好的密封聚合物。PCTFE 的耐低溫性特別突出. 在一定條件下能在接近絕對(duì)零度( -273℃) 下使用( 表1)。

表1 PCTFE 低溫下的力學(xué)性能

　　(3) 柔性石墨

　　柔性石墨( 又稱(chēng)膨脹石墨) 具有耐低溫、耐腐蝕、自潤(rùn)滑、熱膨脹率小及氣液密封性能良好等特點(diǎn)，壓縮率大于40%，回彈性大于15%，應(yīng)力松弛小于5%。低溫密封材料要求具備滲透系數(shù)小，熱膨脹率低，低溫下仍保持較好的彈性，而一般密封材料在低溫條件下會(huì)產(chǎn)生較大的冷收縮，出現(xiàn)硬化變脆現(xiàn)象，導(dǎo)致密封失效。因此超低溫閥門(mén)選用柔性石墨作為填料，不銹鋼帶膨脹石墨纏繞式墊片作為密封墊片。

深冷處理

　　奧氏體不銹鋼作為超低溫球閥的關(guān)鍵密封副材料在常溫下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)溫度降低到相變點(diǎn)Ms 以下時(shí)，材料中的奧氏體部分轉(zhuǎn)變成馬氏體，對(duì)于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，且由于部分碳原子規(guī)則化排列占據(jù)體心立方點(diǎn)陣位置，使晶格沿C 軸方向增長(zhǎng)，從而體積發(fā)生變化引起內(nèi)部應(yīng)力的增加，使原本經(jīng)研磨后達(dá)到密封

　　要求的密封面產(chǎn)生翹曲變形，造成密封失效。為了減少閥門(mén)構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸在低溫使用過(guò)程中的改變，超低溫閥門(mén)材料在精加工前應(yīng)進(jìn)行深冷處理。奧氏體不銹鋼深冷處理尺寸改變?nèi)绫? 所示，一次深冷后試樣的最大變形量比較大，二次深冷后尺寸最大變形量有明顯的降低。為確保馬氏體的充分轉(zhuǎn)變，材料精加工前至少要對(duì)材料進(jìn)行兩次深冷處理，盡量減少閥門(mén)在使用低溫條件下尺寸的改變。奧氏體不銹鋼進(jìn)行深冷處理后，會(huì)有效解決材料在超低溫條件下形變的問(wèn)題，從而保證低溫閥門(mén)密封性能。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　(1) 長(zhǎng)頸閥蓋

　　LNG 超低溫閥門(mén)采用長(zhǎng)頸閥蓋的目的是減小外界傳入裝置中的熱量，使填料部位遠(yuǎn)離閥體中流過(guò)的介質(zhì)LNG，保證填料部位的溫度在0℃以上，防止因填料函部分過(guò)冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結(jié)霜或凍結(jié)，使填料可以正常工作。整個(gè)閥門(mén)裝配體的模擬溫度場(chǎng)如圖1 所示，閥蓋底部的溫度在0℃以下。所以必須采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)使填料部位遠(yuǎn)離閥蓋底部。

表2 深冷處理后試樣變形量( μm)

　　隨著LNG 工廠(chǎng)、接收站、運(yùn)輸船及氣化站的建設(shè)與發(fā)展，超低溫閥門(mén)將有更大的需求。在設(shè)計(jì)、制造LNG 超低溫閥門(mén)時(shí)，需考慮材料、結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)等對(duì)產(chǎn)品的影響，通過(guò)攻關(guān)課題的進(jìn)一步研究，并用試驗(yàn)方法對(duì)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而確定LNG 超低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，從而提高閥門(mén)的安全性和可靠性。