• 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 行业动态>
  • LIK装置用深冷球阀设计特点-德国莱克LIK品牌
    发布日期:2017-2-2


    LIK装置用深冷球阀设计特点

    摘 要:介绍了液化天然气(LNG)装置深冷球阀结构材料和密封副材料的选择要求,液氮深冷处理是深冷球阀制造必不可少的工艺。球阀采用延长阀盖和滴水盘设计,保证填料函的密封性能和阀门正常工作。针对阀座密封结构的特点,重点分析了单活塞效应阀座和双活塞效应阀座的结构特点及密封原理,由于阀座与阀体密封处结构特点不同导致两者密封方向不同。结合LNG工况,深冷球阀应选用双隔离与排放阀(简称DIB)中的1型或2型。

    关键字:LNG 深冷球阀 活塞效应 自泄压阀座 低温试验


    1 深冷球阀在LNG装置中的应用特点

    国内外标准对低温和深冷有不同定义,该文根据标准MESCSPE77/200《低温和超低温阀门》以不同最小设计温度划分最小气化空间,将-196~-110℃称为深冷温度。因此将-162℃下液化天然气(LNG)装置用的球阀称为深冷球阀。

    典型的LNG接收站工艺流程图见图1。LNG组分的分子量小,渗透性强,气液体积比为625∶1,容易泄漏和扩散,温度在-162℃下操作压力最高可达16MPa。作为控制LNG管道流通开关的深冷和球阀在深冷和高压条件下应具备安全可靠、操作方便等特点。结合某LNG接收站项目设计与施工经验,对深冷球阀的设计要点进行逐一分析。

    图1 LNG接收站工艺流程

    2 深冷球阀选材特点

    GB/T24925—2010《低温阀门技术条件》对深冷球阀材料性能要求如下:

    (1)工作温度下材料要有足够的强韧性,不应产生低温脆性破坏;

    (2)工作温度下材料的组织结构应稳定,以防止材料相变而引起体积变化,保证不因体积变化影响阀门的低温密封性。

    2.1 阀门主体材料

    深冷球阀主体材料如阀体、阀盖、阀瓣等承压部件一般选用面心立方结构300系列奥氏体不锈钢,这是因为其在LNG介质工况下较其他材料的低温变形小,有较强的低温韧性。但这类钢材在室温状态下都处于亚稳定状态,温度降到相变点Ms以下时会发生马氏体相变,从而体积发生变化引起内部应力的增加,使精加工后达到密封要求的金属密封面产生翘曲变形,造成密封失效。因此需要对阀门进行深冷处理。

    2.2 密封副材料

    LNG深冷球阀多采用软密封阀座结构,即金属阀座加非金属材料密封副,原因是在低温下阀球与阀座易抱死,硬密封阀座结构阀门开启扭矩较常温开启时要大数倍。而主密封为软密封阀座、次级密封为金属硬密封能较好地解决阀门开启扭矩适当的要求,同时在发生火灾事故时,当软密封材料被烧毁,次级硬密封又能满足密封要求。考虑到LNG介质的洁净,可采用聚四氟乙稀PTFE(TEFLON),PCTFE(KEL-F)等非金属材料进行软密封设计,其自润滑性质及低温下组织稳定性优异,可以补偿低温状态下金属变形造成的不良影响。但由于软密封阀座是非金属材料,材料强度低易损伤,在使用中应考虑定期维护更换。

    2.3 填料与垫片

    阀杆填料函密封材料一般采用柔性石墨或柔性石墨与不锈钢缠绕式垫片。柔性石墨具有优良的耐低温性能,不宜变形或老化,热膨胀率小及气液密封性能良好等特点,压缩率大于20%,回弹性大于17%,应力松弛小于10%。石墨还有自润滑性,可以减小填料与阀杆的摩擦。石墨在低温高压条件下压缩率和回弹性有所下降,因而建议在温差和压差较大的地方采用阀杆填料密封结构或阀盖与阀体中法兰密封结构,并在靠近介质泄漏侧采用唇式密封。唇式密封是一种根据压力能自行扩张收缩的辅助密封材料,注意其安装具有方向性。两种密封结构如图2所示。

    图2 两种密封结构

    3 深冷球阀结构设计

    3.1 延长阀盖与滴水盘

    深冷球阀采用延长阀盖设计,使填料函远离阀体中微泄漏的LNG介质,保证填料函底部的温度在0℃以上,防止填料函冷冻或结霜,保证填料函的密封性。

    滴水盘可保证填料部位和阀杆上部的零件温度在0℃以上。滴水盘的位置表示了填料函的底部位置,并刻有标识表示泄压的方向。滴水盘高度需高于阀门保冷箱,防止冷凝水滴落到保冷层冻结在阀体上,从而避免对阀门的正常工作造成影响。

    3.2 防火防静电及弹簧预紧结构

    防静电设计采用弹簧式结构,一个柱形弹簧推动一个钢球,保证阀杆和阀体始终处于接地状态,因而避免静电电荷累积产生的爆炸危险。

    由于阀杆填料与密封垫片的线胀系数比金属填料函和阀杆大得多,经过温度交变,其收缩量大于填料孔和阀杆的收缩量,因此在盘根压盖螺栓连接处设置碟形弹簧,进行过载荷补偿,确保填料密封性能,同时也能减少检修工作量。

    3.3 阀座密封与阀腔自泄压

    当双向密封的低温球阀关闭后,阀腔内的LNG从外界环境中吸收热量而气化,使阀腔增压,超过临界压力就会破坏阀门承压部件。因此阀腔应具有超压自泄放功能,以保证腔体和上游(或下游)通道的压力平衡,防止腔体异常升压。目前深冷球阀自泄压结构有多种,常用以下两种:①在阀球或阀座上设置泄压孔(泄压孔应设置在阀门关闭时的高压侧),使阀腔与上游或下游通道连通,使中腔压力始终与管路进口端平衡;②采用弹性自泄压阀座(如图3~4所示),当阀腔压力超过安全泄放压力时,阀座移动使阀腔介质泄放至上游或下游管路内。第二种泄压结构较第一种具有双向泄压或密封的特点,应用范围较广,故对此结构进行详细分析。

    图3 单活塞效应阀座

    图4 双活塞效应阀座

    3.3.1 弹性阀座

    深冷球阀的密封功能主要与阀座密封的构造形式有关,API6D—2008《石油和天然气工业管线输送系统管线阀门》定义的双阻断与排放阀(DBB)和双隔离与排放阀(DIB)型管线阀门,常采用弹性(浮动式)双阀座密封结构。弹性阀座利用弹簧组在弹簧预紧力或介质压力下推动阀座,将阀座与阀球紧密接触,达到密封效果,以保证温差、压差等条件变化对阀座-阀球密封性能无影响。

    3.3.2 活塞效应阀座

    活塞效应是一种利用管线压力推动浮动阀座的密封形式。弹性阀座分为单活塞效应阀座(SPE),又称为自泄压阀座(如图3所示)和双活塞效应阀座(DPE)(如图4所示)两种。

    对单活塞效应阀座(以上游阀座为例)如图3(a)所示,当球阀关闭时,管道介质压力P作用在阀座上,阀座合力为阀座两侧受力之差P×ΔS(ΔS=S-S')与弹簧力F之和,推动阀座抱紧阀球,实现密封。当阀腔超压时,如图3(b)所示,阀腔压力P'×ΔS(ΔS=S'-S)大于弹簧力F与流道压力P×ΔS之和时,阀座将被推离球体,阀腔将向上游通道泄放超压介质,从而使阀腔泄压。从其密封原理来看,SPE阀座是单向密封阀座。

    对双活塞效应阀座(以上游阀座为例)如图4(a)所示,当球阀关闭时,流道介质压力P作用在阀座上,阀座两侧受力之差P×ΔS(ΔS=S-S')与弹簧力F推动阀座抱紧阀球,实现密封。当阀腔超压时,如图6(b)所示,阀腔压力P'×ΔS(ΔS=S-S')和弹簧力F推动上游阀座,由于是双活塞效应阀座设计,上游游阀座会反过来抱紧阀球密封面实现密封。阀腔介质压力越大,阀座与阀球间的球面吻合的越紧密,此方向的密封效果越好,因此DPE阀座是双向密封阀座。

    3.4 DIB与DBB结构

    根据阀门上下游阀座选择不同的活塞效应阀座,DIB分类如表1所列。

    表1 DIB分类

    LNG深冷球阀阀座选型时,根据工艺需求确定泄压方向,应选用DIB-1或DIB-2型阀门;对与LNG外输系统和调节阀组等场合,如校准、计量等工况,阀门可选用DIB-1型阀门,阀腔中的介质可通过泄放阀排出,不会泄漏到上下游管道从而影响测量结果的精度。

    4 深冷球阀低温试验

    深冷球阀要进行阀门低温试验来检验阀门在低温模况下的各种性能是否满足标准要求。并应取得第三方权威检测机构颁发的防火设计型式认证、压力管道元件型式试验认证、ISO15848《工业阀门:微泄漏之测量、试验和鉴定程序》的微泄漏型式试验等认证。低温试验的主要内容有:额定压差的条件下,测量球阀的开启和关闭最大操作力矩;测试阀门的填料、阀体/阀盖连接处的密封性;测试阀门启闭开关寿命等。

    低温试验应在阀门常温试验合格后进行,低温试验冷却介质一般为液氮,试验介质为氦气。各标准对深冷球阀软密封结构的低温密封试验泄漏率对比见表2。

    表2 低温密封试验泄漏率

    5 结语及建议

    深冷球阀广泛应用在LNG管道中,对LNG管道的运行起着至关重要的作用。结合某LNG接收站项目设计与施工经验,通过对深冷球阀的材料选择、结构设计和低温试验等特点总结以下建议,为此类阀门的设计、选型、采购等要求提供参考依据。

    (1)液氮深冷处理是深冷球阀制造必不可少的工艺。

    (2)阀座密封多采用金属阀座加非金属密封副的软密封阀座结构,阀杆填料函密封材料多采用柔性石墨。

    (3)深冷球阀采用延长阀盖和滴水盘设计,保证填料函的密封性能和阀门正常工作。

    (4)深冷球阀的弹性自泄压阀座形式具有双向泄压或密封的特点。结合SPE和DPE两种弹性阀座的结构特点及密封原理,LNG工况应选用DIB-1或DIB-2型阀门。

    (5)低温密封性能是深冷球阀的关键性能指标,阀门应按照相关标准进行低温模拟工况下的试验,并通过权威机构进行型式试验鉴定。

首页 | 公司简介 | 动态资讯 | 产品展示 | 阀门选型 | 工程案例 | 资料下载 | 客户反馈| 网站地图 | 联系我们

销售电话:020-32399500 图文传真:020-32398971  企业邮箱:leovalve@126.com
公司地址:广东广州黄埔区黄埔东路633  邮编:510700

网址:http://www.dghwvalve.com/

备案号:粤ICP备15070090号