液化天然气用超低温固定球球阀的设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京市阀门总厂(集团)有限公司 作者:王付军

1、概述

  液化天然气(LNG)作为一种清洁燃料,已成为城市管道供气、分布式能源系统、汽车及飞机等交通工具的主要能源之一。LNG是天然气在经净化及超低温状态下(-162℃、一个大气压)冷却液化的产物。液化后的天然气体积约为天然气体积的1/600(0℃、1个大气压时)。LNG无色无味,主要成分为甲烷,很少有其他杂质。其液体密度约426kg/m3,此时气体密度约1.5kg/m3。爆炸极限为5%~15%(体积%),燃点为450℃。天然气液化、运输、储存和汽化等工艺配套设备的建设,给超低温阀门的发展带来了契机。LNG接收站主要的截断阀类有超低温球阀、超低温闸阀、超低温截止阀和超低温蝶阀,其中超低温球阀用量较多。

2、超低温固定球球阀的结构特点

  2.1、阀体

  超低温固定球球阀为全通径(图1)结构,阀门在全开启位置时无阻挡,内部通径符合API6D的规定。阀体为一体式结构,相对于二片式或三片式阀体,减少了泄漏点。阀门为顶装式结构,可实现在线更换内部密封件,公称直径≥NPS2的超低温球阀设计为固定球。

超低温固定球球阀

1.阀体2.阀盖3.滴盘4.支架5.阀杆6.齿轮驱动装置

图1 超低温固定球球阀

  2.2、阀盖

  采用加长阀盖,其目的在于能起保护填料函的功能。保证填料函部位的温度在0℃以上,使填料可以正常工作。加长阀盖的设计主要是颈部长度的设计,其与材料的导热系数、导热面积及表面散热系数、散热面积等因素有关,计算比较繁琐,一般由实验法求得或采用相关标准。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)查阅了具体数据,可以按表1确定。

表1 加长阀盖颈部长度L(mm)

加长阀盖颈部长度

  2.3、滴盘

  加长阀盖设置有滴盘,可以防止冷凝水流入保温层。滴盘的位置同时标明了低温球阀进行现场保温材料的最高位置。在阀盖上钻一连通孔,使加长段空腔与阀门中腔连通,确保不会使加长段空腔产生异常升压。

  2.4、自泄压

  中腔异常升压的泄放通过自泄压阀座来实现,中腔自泄压方向为上游管道。

  2.5、阀杆密封

  阀杆处密封为低泄漏、低维护的结构。根据具体尺寸设计成二道或多道密封,使阀杆处密封等级满足ISO15848-2的B级要求,还可防止水压试验时有水进入到柔性石墨填料内,耐久等级满足ISO15848-1的C01级。在填料压板螺栓连接处设置有碟形弹簧,进行过载荷补偿,避免了温度交变下的活动载荷的影响。

  在阀杆与球体结合部以及阀杆与阀盖接触处有防静电装置(钢球和弹簧),防止静电在球体上积聚。在12V直流电下测试,球体与阀盖及阀杆与阀盖之间的电阻值不超过10Ω。超低温固定球球阀还应设计满足API6FA或API607标准的安全防火结构。

  2.6、阀座密封

  在超低温状态下,阀座与阀体配合处的密封采用唇式密封圈(图2)是最合适的选择。唇式密封圈本身精度要求高,同时对配合金属零件的精度和表面光洁度要求也较高。阀座密封圈材料采用超低温性能优异的PCTFE(kel-f),其性能参数见表2。

唇式密封圈

图2 唇式密封圈

表2 阀座密封圈材料性能

阀座密封圈材料性能

  2.7、驱动机构

  阀门在阀杆与垂线成30°夹角时,能够正常操作。手动球阀(包括采用执行器、齿轮驱动装置)均应设置锁定装置,使超低温球阀可以在全开启或全关闭的位置都能够被锁定。执行机构可在线更换维修,亦能在结冰的条件下操作。

3、超低温固定球球阀的主体材料检验

  (1)材料的检验与试验应符合相应EN10204及ASTM标准的要求。

  (2)对于阀体、阀盖、阀杆、球体及阀座密封圈,每批(指同批号、同材质、同规格、同炉号和同热处理条件)材料至少抽验一次化学成分和力学性能试验,试验结果应符合ASTM标准的要求。

  (3)所有低温阀门的锻造材料和铸造材料应逐件按MSSSP-55进行外观检查(VT),对于铸件热裂和裂纹缺陷不允许出现,对于锻件不允许存在发纹、裂纹、夹层及折叠等缺陷。其余缺陷合格标准不应低于MSSSP-55中的B级要求。

  (4)铸造承压部件材料、对焊端部及与之进行焊接的过渡管段的所有焊缝应按照ASMEB16.34的要求进行射线检测。验收标准参见ASTME446、E186或E280,ASME锅炉及压力容器规范SECV卷第五章并应满足上述规范中A类、B类以及C类不连续性(缺陷)严重等级2的要求。不允许存在D、E、F以及G类缺陷。

  (5)对低温球阀的球体密封面、对焊端坡口的外表面,应进行液体渗透检测,检测按ASTME165标准进行,这些部位的液体渗透检验应无缺陷。

  (6)锻造承压部件材料(包括阀杆)应进行超声波检验,检验按ASTMA388标准进行。不得有任何深度达到5%壁厚的缺陷存在。

  (7)阀门的缺陷清除以及补焊修复应按照ASMEB16.34第8.4节的规定。其中锻制承压部件不允许补焊修复。

  (8)阀门的主要受压元件(阀体、阀盖、球体)材料应进行-196℃低温冲击试验。试验方法按ASTMA370的规定。

  (9)评定阀体对焊端和短管的焊缝-196℃下的冲击值。焊接工艺评定报告应按照ASMEB31.3标准要求,进行-196℃夏比V型冲击试验,标准试样测试可以接受的最小横向膨胀值为0.38mm。

  (10)在超低温工作温度下,为保持材料的组织结构稳定,防止材料相变而引起体积变化,并降低机械加工对零件变形的影响。对超低温阀门,其和介质接触的主要零部件均须进行深冷处理。将阀体、阀盖、球体、阀座和阀杆等零件在粗加工后、精加工前浸放在液氮箱中进行冷却,当零件温度达到-196℃时,开始保温1~2h,然后取出箱外自然处理到常温,重复循环2次。零件在焊接后也应进行深冷处理以消除应力和变形。

4、超低温固定球球阀的检查和试验

  (1)对每个球阀要进行尺寸检验,端部尺寸和偏差应符合ASMEB16.10、ASMEB16.5、ASMEB16.25标准的要求。

  (2)所有低温球阀在装配完成后,应进行常温压力试验。按API598标准进行检验,包括①壳体水压试验。②高压密封试验。③低压密封试验。④阀腔的泄放试验。

  (3)常温动作性能试验中,手动和带驱动装置的球阀应当在球阀整机装配后至少进行5次完整带压启闭循环操作。带驱动装置的球阀进行压力试验时必须整机带压操作球阀。

  (4)奥氏体不锈钢材质的超低温球阀其压力试验有特殊要求。①压力试验用水中的氯离子含量应低于0.03%。②压力试验完成后,试验用水应立即排净。球阀应彻底除水、除油脱脂处理。

  (5)按ISO15848-2标准对阀杆和阀体密封件处进行逸散性泄漏检测。

  (6)按API6D附录B.5的规定进行防静电试验。

  (7)球阀低温试验在常温试验合格后进行,应按BS6364标准以同尺寸/类型/炉号和材料的球阀组成一批做低温性能试验,按10%比例进行抽检,抽检比例最少为一件。低温试验的温度为-196℃。执行低温试验前,阀门必需干燥,防止低温试验时未干的水固化,影响密封。阀门放入冷却介质中后,应通以0.2MPa的氦气,使阀门里的湿气排除。阀门冷却过程应有合理的热电偶布置,对阀门的关键部位进行温度监控,确保阀门充分冷却、温度均匀后才能开始试验。超低温试验一般采用液氮进行冷却,用氦气进行阀门泄漏测试。阀座密封试验时,需采用分段式增压。应保证低温试验后阀门自然回温,回温过程应防止潮气进入阀门。低温试验的允许泄漏率见表3。

阀门低温试验允许泄漏率

表3 阀门低温试验允许泄漏率

注:P为阀门承压壳体材料在38℃(100°F)时的压力额定值。

5、结语

  随着天然气资源以其丰富的蕴藏量的开发和应用,LNG输送很好的解决了管道天然气(PNG)无法到达的城市天然气的使用,其发展迅速,优势明显,将会迎来一个广阔的发展空间。在建和规划建设的LNG接收站将最终构成一个沿海LNG接收站和输送管网。随着市场的放开及国家重大工业装置/设备国产化政策及关键技术的突破,超低温阀门的市场需求正逐年上升。通过合理的结构设计、强度计算、材料的检验、深冷处理,以及低温性能试验,可以使超低温固定球球阀在功能、安全性及可靠性等方面满足LNG工况的要求。

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