液化天然气用超低温增压调节阀密封结构设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)湖北三江航天红峰控制有限公司 作者:王二强

  介绍了一种液化天然气用超低温增压调节阀的工作原理、材料选用、密封结构改进和加工处理工艺。

1、概述

  液化天然气(LNG) 是一种比较安全、高效、清洁和低污染的能源。在LNG 生产到消费的整个流程中,超低温增压调节阀(简称调节阀-下同) 有着重要的作用。目前,进口的调节阀供货周期长,价格昂贵,配件短缺,使国内LNG 行业的发展受到制约。本文介绍一种根据需要研制的公称压力2MPa,公称直径DN12mm,适应工况温度-196℃的调节阀。

2、液化天然气用超低温增压调节阀的工作原理

  调节阀主要是由阀体、壳体、阀芯组件、弹簧和膜片组件等零部件组成(图1) ,用于LNG系统自增压,使系统内的压力保持在设定值范围内,处于常闭状态。当LNG 储存罐内随着介质消耗,罐内压力逐渐降低到某一设定值时,调节阀开启,介质通过调节阀进入储存罐内使压力升高。当压力升高至设定值时,调节阀关闭,增压停止。

液化天然气用超低温增压调节阀密封结构设计

图1 超低温增压调节阀

  调节阀通过调节手柄压缩上弹簧,使上弹簧作用在膜片组件上的力与出口介质压力作用在膜片组件上的力达到平衡。当出口压力值低于设定值时,上弹簧作用在膜片组件上的力大于出口介质压力作用在膜片组件上的力,在压差力的作用下阀芯组件打开,介质由进口进入系统,使系统内的介质压力增高。当系统内的介质压力增高到某一设定值时,出口介质作用在膜片组件上的力大于上弹簧作用在膜片组件上的力,膜片组件向上运动,与阀芯组件分开,阀芯组件在下弹簧力作用下关闭阀门。

3、液化天然气用超低温增压调节阀的结构特性

  3.1、工艺与选材

  调节阀内部主要零部件在承受持久或瞬间很大温度变化而引起的应力及压力和温度交变下的各种载荷作用力时,不应出现明显的弹塑性变形,所以,其阀体和壳体等零件选用HPb59-1-Y2,密封垫圈选用QSn6.5-0.1-Y,阀芯组件和膜片组件中的密封材料选择PTFE,弹簧选择低温不锈钢弹簧钢丝06Cr19Ni10。

  为了防止阀门零件在低温工况下应力集中产生脆性破坏,零件加工过程中避免尖角出现,棱边需进行圆滑倒钝。零件在低温工况下容易产生变形,阀体、壳体等零件在精加工前必须进行深冷处理,浸泡在液氮中,待零件温度达到- 196℃后,保温2 ~4h,自然恢复到室温。重复循环两次,以消除相变引起的零件体积变化影响,防止阀门泄漏。

  3.2、密封结构改进

  调节阀密封常用平端面结构。由于各零件材料不同,材料热胀系数、零件承受热载和零件所处约束条件的差别,导致零件收缩量存在差别。在超低温工况环境下,由于密封零件材料的收缩量不同,导致阀门产生泄漏。针对在低温工况下调节阀泄漏问题,对其端面密封结构做了改进。

  在阀体端面加工一个小的V形槽,在堵头与密封垫圈接触的平面上加工一个小的凸台,在拧紧力的作用下,堵头端面的小凸台挤压密封垫圈,密封垫圈产生变形填充阀体端面的V 形槽,密封结构可靠性能高(图2) 。

液化天然气用超低温增压调节阀密封结构设计

图2 端面密封

  通过改进密封结构和零件加工工艺优化,取得了很好的密封效果,通过30 000 次的寿命试验,调节阀的漏率满足产品密封性能要求。

4、结语

  LNG 超低温增压调节阀门在低温工况环境下密封可靠,漏率满足要求。经过寿命试验,验证了改进结构和工艺优化的合理性,保证了产品在特殊工况下使用的可靠性。

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