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1 LNG化工液化天燃?xì)獾蜏厍蜷y密封優(yōu)化改進(jìn)方案概  述

球閥由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝空間小，并且球閥依靠介質(zhì)力密封，不受外部驅(qū)動(dòng)力的影響，因而被廣泛應(yīng)用于各工況中。目前，LNG接收站普遍采用超低溫球閥，超低溫球閥的數(shù)量占整個(gè)LNG接收站閥門數(shù)量的80%，在使用中存在超低溫球閥內(nèi)漏的現(xiàn)象。本文基于低溫閥門的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及閥門密封性能的基本理論，對(duì)影響超低溫球閥密封的要素進(jìn)行了分析。

LNG球閥是指主要用于乙烯,液化天然氣裝置,天然氣LPG LNG儲(chǔ)罐,接受基地及衛(wèi)星站,空分設(shè)備,石油化工尾氣分離設(shè)備,液氧、液氮、液氬、二氧化碳低溫貯槽及槽車、變壓吸附制氧等裝置上,用來(lái)對(duì)低溫介質(zhì)LNG進(jìn)行開啟和關(guān)閉的閥門。

LNG液化天然氣球閥特征:

1.承壓件的材料能承受介質(zhì)溫度的變化而引起的膨脹、收縮、密封部位的結(jié)構(gòu)在溫度變化時(shí)不會(huì)產(chǎn)生*的變形。用于-100℃以下工況時(shí),閥門零件在精加工前應(yīng)進(jìn)行深冷處理,即將零件浸放在液氮箱中進(jìn)行冷卻,當(dāng)零件溫度達(dá)到-192℃時(shí),開始保溫1-2h,然后取出箱外自然處理到常溫,重溫循環(huán)2次。

2、閥蓋采用長(zhǎng)勁結(jié)構(gòu),其目的保護(hù)填料函的功能,使填料函處于離低溫較遠(yuǎn)的位置,保證填料的密封效果,同時(shí)還可以纏繞保冷材料,防止冷能損失。長(zhǎng)頸的頸長(zhǎng)可根據(jù)使用溫度和保冷材料的厚度來(lái)選擇不同的長(zhǎng)度。當(dāng)填料密封效果降低時(shí),可以從填料函中間加入潤(rùn)滑脂形成油封層,降低填料函的壓差,提高密封性能。

3、使用溫度低于-100℃時(shí),閥桿材料經(jīng)過鍍鉻或氮化處理,提高閥桿表面硬度,提高填料密封的可靠性。

4、低溫球閥具有防止異常升壓結(jié)構(gòu),由于低溫閥門介質(zhì)氣化后,其體積急劇膨脹,壓力會(huì)異常升高,當(dāng)閥門中腔壓力升高時(shí),閥門中腔和連通,或在閥門端安置泄壓閥,保證閥門安全使用。

5、低溫球閥用的墊片具有在常溫下、低溫狀態(tài)及溫度變化下能可靠密封性和復(fù)原性。

 2 LNG化工液化天燃?xì)獾蜏厍蜷y密封優(yōu)化改進(jìn)方案設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

由于工況溫度極低，使超低溫閥門的設(shè)計(jì)與制造面臨一系列的技術(shù)難題，例如，材料的選擇、低溫密封、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、固溶處理、深冷處理、絕熱、質(zhì)量檢測(cè)、維修、安全等。為此對(duì)于低溫閥門的設(shè)計(jì)有著一系列嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上主要采用標(biāo)準(zhǔn)BS6364《低溫閥門》和MSSSP－134《對(duì)低溫閥門及其閥體/閥蓋加長(zhǎng)體的要求》，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)較全面地規(guī)定了低溫閥門設(shè)計(jì)和制造的要點(diǎn)和規(guī)則。標(biāo)準(zhǔn)JB/T7749《低溫閥門技術(shù)條件》是根據(jù)BS6364《低溫閥門》轉(zhuǎn)化而成。

 在設(shè)計(jì)低溫閥門時(shí)，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則外，應(yīng)根據(jù)使用的條件，遵循低溫閥設(shè)計(jì)的特殊要求。

①閥門不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源。這是因?yàn)闊崃康牧魅氤档蜔嵝释?，如流入過多，還會(huì)使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險(xiǎn)。

②低溫介質(zhì)不應(yīng)對(duì)手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。

③直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門組合件應(yīng)具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。

④在低溫下工作的閥門組合件無(wú)法潤(rùn)滑，所以需要采取結(jié)構(gòu)措施以防止摩擦件擦傷。

在低溫閥門設(shè)計(jì)過程中，除了考慮低溫閥門的流通能力等一般性要求外，還需要考慮一些其他指標(biāo)，以便更好地對(duì)低溫閥門的技術(shù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。通常通過衡量能量消耗是否合理對(duì)低溫閥門的技術(shù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

 ①低溫閥門的絕熱性能。

②低溫閥門的冷卻性能。

③低溫閥門啟閉密封件的工作性能。

④低溫閥門表面不結(jié)冰的條件。

 低溫閥門與通用閥門的工作環(huán)境有很大的區(qū)別，在低溫閥門設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)等過程中除了要遵守閥門設(shè)計(jì)、制造和檢驗(yàn)的一般規(guī)則外，還應(yīng)當(dāng)注意低溫閥門所處的環(huán)境而進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

3 LNG化工液化天燃?xì)獾蜏厍蜷y密封優(yōu)化改進(jìn)方案基本理論

 影響閥門密封因素主要有密封副結(jié)構(gòu)、密封面比壓、介質(zhì)的物理性質(zhì)及密封副的質(zhì)量等。但只有在真正了解閥門密封原理的情況下，充分考慮各種影響其密封性能的因素，才能防止泄漏和保證密封。

 以平面密封為例，研究密封面連接的密封性問題，簡(jiǎn)單說明密封原理。密封連接原理如圖1所示，其中容器充滿帶有一定壓力的液體和氣體，并用蓋板封住，容器內(nèi)的介質(zhì)靜壓力作用為：FJ=A×P

式中   FJ———介質(zhì)作用力，N

          A———介質(zhì)作用在蓋板上的面積，mm2

          P———容器內(nèi)介質(zhì)的靜壓力，MPa

為了使蓋板保持圖示位置，必須在容器和蓋板接觸面的垂直方向施加外力F=FJ，這樣也僅能保證端面貼合。只有當(dāng)密封面為理想平面時(shí)，介質(zhì)才不致從結(jié)合面間穿過。為了保證接觸面的密封性，必須在密封面間產(chǎn)生相互作用力，也就是用力使蓋板壓緊在容器上。當(dāng)作用力F＞FJ時(shí)，在結(jié)合的密封面上會(huì)產(chǎn)生一定的比壓，依靠比壓使平面上已有的平面度產(chǎn)生變形。如果變形是在材料的彈性極限范圍內(nèi)，并產(chǎn)生不大的殘余變形時(shí)，接觸面施加力F時(shí)，便可以保證其密封性。除了密封比壓，保證連接密封性因素還包括密封副結(jié)構(gòu)等等。但在這一系列的因素中，密封面之間的比壓值具有關(guān)鍵作用。

 4 LNG化工液化天燃?xì)獾蜏厍蜷y密封優(yōu)化改進(jìn)方案密封要素

 盡管球閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是由于其為介質(zhì)壓力自密封閥門，加之球體的特殊結(jié)構(gòu)，因此影響球閥終是否密封的要素很多。

4.1 密封副質(zhì)量

 球閥密封副的質(zhì)量主要表現(xiàn)為球體的圓度和球體與閥座密封面的表面粗糙度。球體的圓度影響球體與閥座的吻合度。如果吻合度高，則增加流體沿密封面運(yùn)動(dòng)的阻力，從而提高密封性。一般要求球體的圓度為9級(jí)。

密封面表面光潔度對(duì)密封的影響很大。當(dāng)光潔度低、比壓小時(shí)，滲漏量增加。而當(dāng)比壓大時(shí)，光潔度對(duì)滲漏量的影響顯著減小，這是因?yàn)槊芊饷嫔系奈⒂^鋸齒狀尖峰被壓平了，軟密封面的光潔度對(duì)密封性能的影響比金屬對(duì)金屬的剛性密封小很多。根據(jù)只有當(dāng)密封副之間的間隙小于流體分子直徑時(shí)才能保證流體不泄漏的觀點(diǎn)，可以認(rèn)為，防止流體滲漏的間隙必須小于0.003μm。但是，即使經(jīng)過精細(xì)研磨的金屬表面凸峰高度仍然超過0.1μm，即比水分子直徑還要大30倍。由此可見，只依靠提高密封面光潔度的方法來(lái)提高密封性，事實(shí)上是難以做到的。密封副質(zhì)量除了影響密封性外，還直接影響球閥的使用壽命，因此，制造時(shí)必須提高密封副質(zhì)量。

 4.2 密封比壓

密封比壓是指作用于密封面單位面積上的壓力。密封比壓是由閥前與閥后壓力差及外加密封力所產(chǎn)生的。比壓的大小直接影響球閥的密封性、可靠性及使用壽命。滲漏量與壓力差成反比。試驗(yàn)證明，在其他條件相同的情況下，滲漏量與壓差的平方成反比，因此，滲漏量會(huì)隨著壓差的增長(zhǎng)而減少。而壓差是決定密封比壓的重要因素，因此密封比壓對(duì)于超低溫球閥密封性能至關(guān)重要。施加在球體上的密封比壓也不能過大，過大是有利于密封，但會(huì)增加閥門操作轉(zhuǎn)矩，因此合理的選擇密封比壓，是保證超低溫球閥密封的前提。

 4.3 流體的物理性質(zhì)

（1）粘度

流體的滲透能力與其粘度緊密相關(guān)。在其他條件相同的情況下，流體粘度越大，其滲透能力越小。氣體與液體的粘度相差很大。①氣體的粘度比液體的粘度小幾十倍，故其滲透能力比液體強(qiáng)。但是飽和蒸汽例外，飽和蒸汽容易保證密封。②壓縮氣體比液體更容易滲漏。

 （2）溫度

流體的滲透能力取決于引起粘度改變的溫度。氣體的粘度隨溫度的升高而增大，它與氣體的溫度的開方成正比。液體的粘度則相反，它隨溫度的升高而急劇減小，它與溫度的立方成反比。此外，因溫度變化而引起的零件尺寸的改變將造成密封區(qū)內(nèi)密封壓力的變化，并能破壞密封。對(duì)于低溫流體的密封其影響尤為顯著。因?yàn)榕c流體接觸的密封副通常比受力件的溫度更低些，這就引起密封副部件收縮而松弛。在低溫狀態(tài)下，其密封是復(fù)雜的，多數(shù)密封材料在低溫下失效。因此，在選擇密封材料時(shí)應(yīng)考慮溫度的影響。

 （3）表面親水性

表面親水性對(duì)滲漏的影響是毛細(xì)孔特性所引起的，當(dāng)表面有一層很薄的油膜時(shí)，破壞了接觸面的親水性，并且堵塞流體通道，這樣就需要較大的壓力差才能使流體通過毛細(xì)孔。因此有些球閥采用密封脂，以提高密封性和使用壽命。在采用油脂密封時(shí)，應(yīng)注意在使用過程中如油膜減少，應(yīng)補(bǔ)充油脂。所采用的油脂應(yīng)不溶于流體介質(zhì)，也不應(yīng)該蒸發(fā)、硬化或其他化學(xué)變化。低溫球閥不適合采用密封脂，在超低溫工況下，大多的油脂會(huì)玻璃化。

 4.4 LNG化工液化天燃?xì)獾蜏厍蜷y密封優(yōu)化改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)尺寸

（1）密封副結(jié)構(gòu)

由于密封副不是剛性的，它在密封力作用下或溫度變化等因素的影響下，結(jié)構(gòu)尺寸必然發(fā)生變化，這便會(huì)改變密封副之間的相互作用力，其結(jié)果是密封性能降低。為補(bǔ)償這種變化，應(yīng)使密封件具有一定的彈性變形。目前，有些球閥閥座采用具有彈性補(bǔ)償或金屬?gòu)椥灾蔚慕Y(jié)構(gòu)形式，有的球體還采用彈性球結(jié)構(gòu)。這些都是改善密封性能的一種積極形式。

（2）密封面寬度

密封面的寬度決定毛細(xì)孔的長(zhǎng)度。當(dāng)寬度加大時(shí)，流體沿毛細(xì)孔運(yùn)動(dòng)路程成正比增加，而泄漏量則反比地減小。但實(shí)際上并非如此，因?yàn)槊芊飧钡慕佑|面不能全部吻合，當(dāng)產(chǎn)生變形后，密封面的寬度不能全部有效的起到密封作用。另一方面，密封面寬度的增加，要增大所需要的密封力，因此合理地選擇密封面寬度也是比較重要的。

 （3）密封圈尺寸

超低溫球閥普遍采用PCTFE密封圈，而PCTFE在低溫下其線膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于金屬，因此在低溫下PCTFE密封圈會(huì)因收縮而使尺寸變小，其結(jié)果是導(dǎo)致與球體的密封比壓降低及其與閥座間產(chǎn)生泄漏通道。因此PCTFE密封圈的尺寸也是影響超低溫球閥密封的重要因素，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮低溫下尺寸收縮的影響，工藝上還要采用冷裝配工藝。

5 LNG化工液化天燃?xì)獾蜏厍蜷y密封優(yōu)化改進(jìn)方案結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有LNG接收站超低溫球閥普遍存在內(nèi)漏現(xiàn)象，基于低溫閥門設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及閥門密封的基本理論，從密封副質(zhì)量、密封比壓、流體物理性質(zhì)及密封副的結(jié)構(gòu)和尺寸等影響超低溫球閥密封的要素進(jìn)行分析。影響超低溫球閥的密封要素還有很多，諸如球體的剛度及裝配時(shí)球心是否和閥座密封面同心等等。密封比壓及密封副的結(jié)構(gòu)和尺寸是影響超低溫球閥密封的重要要素，設(shè)計(jì)時(shí)必須予以充分考量。

LNG是英語(yǔ)液化天然氣(liquefied natural gas)的縮寫。主要成分是甲烷。LNG無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒且無(wú)腐蝕性,其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600,LNG的重量?jī)H為同體積水的45%左右,熱值為52MMBtu/t(1MMBtu=2.52×10^8cal)。LNG是通過在常壓下氣態(tài)的天然氣冷卻至-162℃,使之凝結(jié)成液體。天然氣液化后可以大大節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間,而且具有熱值大、性能高等特點(diǎn)。