分析了液化天然氣接收站用上裝式球閥的結(jié)構(gòu)特性，介紹了波紋管密封上裝式固定球球閥的結(jié)構(gòu)性能及裝配過(guò)程和安裝要求。

1、概述

　　液化天然氣(LNG) 是儲(chǔ)存和運(yùn)輸時(shí)所采用的一種獨(dú)特物態(tài)，有利于天然氣的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，經(jīng)LNG 接收站進(jìn)行儲(chǔ)存及氣化后進(jìn)入城市天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為球閥具有安裝空間小，啟閉迅速、密封可靠的優(yōu)點(diǎn)，因此LNG 接收站的罐區(qū)普遍采用球閥。為了避免因管道交變溫度應(yīng)力對(duì)閥門(mén)密封的影響，普遍采用上裝式球閥。為了減少閥門(mén)的操作轉(zhuǎn)矩，各接收站通常規(guī)定公稱(chēng)尺寸≥NPS 4 的上裝式球閥選用固定式結(jié)構(gòu)。

2、結(jié)構(gòu)分析

　　2.1、外置調(diào)節(jié)棒

　　外置調(diào)節(jié)棒上裝式球閥(圖1) 閥座設(shè)有2 ～4個(gè)外置水平方向的調(diào)節(jié)棒，通過(guò)調(diào)節(jié)閥座的位移實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的裝配。該結(jié)構(gòu)增加了閥門(mén)的外泄漏點(diǎn)，使閥門(mén)存在潛在的外泄漏風(fēng)險(xiǎn)，因此不適用于LNG 工況。

圖1 外置調(diào)節(jié)棒上裝式固定球球閥

　　2.2、內(nèi)置調(diào)節(jié)棒

　　內(nèi)置調(diào)節(jié)棒上裝式固定球球閥(圖2) 的每個(gè)閥座靠2 個(gè)內(nèi)置垂直方向的調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)閥座位移，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的裝配，這種結(jié)構(gòu)減少了閥門(mén)潛在的外泄漏點(diǎn)。由于受結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度及調(diào)節(jié)棒尺寸、材料等因素的影響，該種結(jié)構(gòu)只能適用于小口徑(≤NPS 6) 上裝式球閥。

圖2 內(nèi)置調(diào)節(jié)棒上裝式固定球球閥

　　2.3、螺紋閥座

　　螺紋閥座的上裝式固定球球閥(圖3) 的閥座前端有徑向螺紋，通過(guò)螺紋調(diào)節(jié)圈旋合調(diào)節(jié)閥座位移，實(shí)現(xiàn)閥門(mén)的裝配。該結(jié)構(gòu)也避免了潛在的外泄漏風(fēng)險(xiǎn)，但由于受螺紋加工精度及長(zhǎng)期使用螺紋失效等因素的影響，這種結(jié)構(gòu)盡管在各LNG接收站普遍采用，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://bjjyhsfdc.com/)認(rèn)為其潛在的失效模式不可避免。

圖3 螺紋閥座上裝式固定球球閥

　　2.4、波紋管密封

　　外置調(diào)節(jié)棒、內(nèi)置調(diào)節(jié)棒及螺紋閥座上裝式固定球球閥的閥體和閥座之間由于采用Lip- seal 密封圈，該密封圈對(duì)于配合尺寸精度及表面粗糙度要求高，在深冷工況下有諸多不確定因素，閥門(mén)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)漏。波紋管密封上裝式固定球球閥(圖4) 解決了上裝式結(jié)構(gòu)的局限性、不可靠性以及閥門(mén)的內(nèi)漏問(wèn)題。

　　波紋管密封上裝式固定球球閥采用螺紋導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)。波紋管一端和閥座焊接，另一端和閥座螺紋導(dǎo)向套焊接。導(dǎo)向套的端面設(shè)有螺紋孔，閥座法蘭上設(shè)有光孔，靠2 ～3 個(gè)內(nèi)六角螺釘調(diào)整閥座的位移，實(shí)現(xiàn)球體從上面裝入閥體。

圖4 螺紋導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)波紋管密封上裝式固定球球閥

　　上裝式固定球球閥中腔容留的介質(zhì)因溫度升高而導(dǎo)致LNG 汽化。異常升壓時(shí)，有可能導(dǎo)致閥門(mén)承壓邊界的失效，因此相關(guān)LNG 閥門(mén)的產(chǎn)品技術(shù)要求及標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定其中腔具有自泄壓功能。目前現(xiàn)有產(chǎn)品基本是通過(guò)閥座前后的面積差或Lip-seal 密封圈實(shí)現(xiàn)。對(duì)于DIB-2 結(jié)構(gòu)閥門(mén)，通過(guò)面積差實(shí)現(xiàn)，通常一個(gè)閥座設(shè)計(jì)為單活塞效應(yīng)(SPE，或稱(chēng)為自泄放閥座) ，另一個(gè)閥座設(shè)計(jì)為雙活塞效應(yīng)(DPE) 。

　　通過(guò)Lip-seal 密封圈實(shí)現(xiàn)，單活塞效應(yīng)閥座安裝1個(gè)泛塞，而雙活塞效應(yīng)閥座則安裝2 個(gè)背靠背的泛塞。為確保閥門(mén)能自動(dòng)泄壓，球體上裝有自動(dòng)泄壓閥。泄壓閥的設(shè)定壓力為殼體材料在38℃時(shí)壓力額定值的1.1 ～1.33 倍，而泄壓閥的回座壓力不低于殼體材料在38℃時(shí)壓力額定值的1. 05 倍。當(dāng)中腔壓力達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，閥門(mén)即可實(shí)現(xiàn)自泄壓功能。閥體上的箭頭方向指向泄壓端方向。可根據(jù)工藝要求，按箭頭指向安裝閥門(mén)，將泄壓端安裝到工藝要求的泄壓方向，確保裝置安全運(yùn)行。LNG 接收站用上裝式固定球球閥密封圈一般采用PCTFE。由于PCTFE 在低溫下易收縮并變硬，因而該部位存在密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，在密封圈和閥座之間加柔性石墨墊進(jìn)行密封。柔性石墨在低溫下滲透系數(shù)小，熱膨脹率低，在低溫下仍保持較好的彈性，因此可確保閥座和密封圈的密封。

　　現(xiàn)有的LNG 接收站上裝式固定球球閥的閥桿密封均采用矩形截面填料，通過(guò)活載荷彌補(bǔ)填料壓縮使用過(guò)程中因磨損而帶來(lái)的填料作用力的減小，但并未徹底解決問(wèn)題。通過(guò)對(duì)填料的受力分析發(fā)現(xiàn)，閥桿密封是靠徑向力實(shí)現(xiàn)的，大量的試驗(yàn)及工程實(shí)踐已證明，隨著填料函深度的增加，填料徑向密封力呈遞減趨勢(shì)(圖5) ，趨于下層的填料密封性能較差，整個(gè)填料組并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)密封功能。

圖5 填料的受力分析

　　針對(duì)這一問(wèn)題，采用Garlock 9000 EVSP 填料組(圖6) 。該填料組兩端為2 個(gè)編織環(huán)，起到消除填料擠出與密封的作用，中間自上而下為1 個(gè)30°高密度凹面適配環(huán)，3 個(gè)45° 低密度碟形密封環(huán)，1個(gè)30°高密度凸面適配環(huán)。當(dāng)填料壓蓋壓緊上端編織填料時(shí)，上端編織填料將載荷傳遞給30°高密度凹面適配環(huán)，30°高密度凹面適配環(huán)將載荷傳遞至45°碟形密封環(huán)上，密封環(huán)外徑徑向膨脹以密封填料函壁，內(nèi)徑徑向膨脹以密封閥桿。低密度石墨會(huì)填充閥桿上最細(xì)小的缺陷并且在密封環(huán)上形成一個(gè)石墨層，以利于密封。相比傳統(tǒng)矩形截面填料，杯錐形設(shè)計(jì)允許多次調(diào)節(jié)，并使填料組均實(shí)現(xiàn)密封。

3、安裝要求

　　在一些LNG 接收站上，發(fā)現(xiàn)多臺(tái)低溫閥門(mén)將閥桿處于水平方向安裝。從圖7 中可以看出填料部位已經(jīng)結(jié)冰，該閥門(mén)的填料已經(jīng)失去密封作用，并且由于凍結(jié)，閥門(mén)已經(jīng)很難實(shí)現(xiàn)啟閉。文獻(xiàn)[6]規(guī)定了低溫閥門(mén)的安裝方法，對(duì)于殼體裝有保溫冷箱結(jié)構(gòu)的閥門(mén)，其閥桿軸線與水平方向的夾角不應(yīng)小于45°，對(duì)于閥門(mén)殼體沒(méi)有保溫冷箱的結(jié)構(gòu)，其閥桿軸線與水平方向的夾角不應(yīng)小于15°。

圖6 填料組(Garlock 9000 EVSP)

圖7 某LNG 接收站低溫閥門(mén)

4、結(jié)語(yǔ)

　　LNG 深冷上裝式固定球球閥由于其低溫工況，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)分析其介質(zhì)的特殊性，使閥門(mén)球體既能實(shí)現(xiàn)從上面裝入閥體，便于操作及可靠運(yùn)行，又要保證閥座和閥體之間及密封圈和閥座之間的有效密封，避免閥門(mén)產(chǎn)生內(nèi)漏影響裝置安全運(yùn)行。由于閥門(mén)的介質(zhì)為L(zhǎng)NG，當(dāng)閥門(mén)關(guān)閉時(shí)必需有效隔離介質(zhì)。另一方面，低溫閥門(mén)在管道上的安裝也應(yīng)引起注意，應(yīng)按照產(chǎn)品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或使用要求安裝閥門(mén)。以確保裝置的安全運(yùn)行，減少對(duì)環(huán)境的污染及危害。