一、LNG超低温深冷处理蝶阀设计改进方案前言 液化天然气(LNG)是一种清洁、高效的能源。在环境问题日益显著的背景下，天然气作为清洁能源越来越受到青睐。由于这一趋势，天然气应用技术也得到了迅速发展，在液化天然气因其高效而被经常使用的运输领域尤其如此。我国近年来也越发注重对LNG的引进，在沿海布置了大量的LNG接收站，而LNG从生产到消费的整个流程中，需要用到大量的阀门，该类阀门属于超低温阀门之一。做为近年来发展迅速的蝶阀来说，在LNG的运用中也越发重要起来。而国内对LNG用超低温蝶阀仍然是一空白。为此，研制开发LNG用超低温蝶阀势在必行。该系列阀门主要针对LNG工况介质，公称压力150～600lb(1lb=0.454kg)，设计使用温度-196℃，公称通径DN200～DN1000。 
常规三偏心蝶阀结构形式在常温或高温工况下,阀门结构形式可以满足密封泄漏要求,保证正常开启应用.但是,在深冷工况下易发生蝶阀由于低温情况阀杆卡滞,下部端盖积液结冰抱死,导致转动不畅,且泄漏等级无法满足工况要求.因此,基于三偏心蝶阀传统结构形式加以研发设计改进完善,通过阀座密封材质选择,上部阀杆密封弹簧蓄能圈及下部阀杆防积液转动副结构改进,在深冷工况下确保蝶阀转动自如,且各项性能指标符合标准规范要求. 
二、LNG超低温深冷处理蝶阀设计改进方案结构特点
LNG超低温蝶阀根据使用工况的要求，有法兰、凸耳、对夹及对焊等连接方式。但由于LNG的着火性和爆炸性，其系统设备配套的LNG低温阀门的安全性、可靠性比普通低温阀门的要求更高，并且要求具有耐火设计。因此，LNG超低温蝶阀主管线多采用对焊结构设计。对焊结构的LNG超低温蝶阀主要包括带检修孔的阀体、检修阀盖、蝶板、阀杆和填料压套加长部分等零部件组成。
1.阀体
由于蝶阀的密封副均位于流体之中，长时间的运行必然导致密封圈的磨损，随之而来的是阀门密封性能下降，因此对焊连接蝶阀的维修是一个必须解决的问题。传统的蝶阀维修有两种方法，一种是直接将整个阀体从管线上卸下，才能从侧向取出进行密封机构的更换;另一种是在阀门顶部设有阀盖，在维修时，将整个阀盖连同蝶板、阀杆等机构整体从阀体中取出，实现蝶板密封件的在线更换。显然采用对焊结构，前一种阀门只能将管道切割才能维修，其成本和效果较差;而后一种维修也比较困难，并且不易保证精度。因此，在研制LNG超低温蝶阀时，在阀体上设置了检修孔，既能实现不用将整个阀体从流体管线中拆卸下来，也不需将阀杆和阀瓣有连接的部件都拆卸下来，即可更换阀体上的阀座和阀瓣的密封件，使阀门在线维修变得更方便、快捷。
2.密封副
阀体上的阀座依靠镶嵌在阀体槽内的压环和螺钉固定于阀体上，蝶板主要由蝶板本体、压板以及密封件组合而成，阀座与蝶板上的密封件构成密封副。由于LNG常压下的温度为-162℃，因此密封副的设计采用了金属与非金属材料复合结构形式，如图2所示。
三、LNG超低温深冷处理蝶阀设计改进方案技术特点
超低温阀门设计除了遵循一般阀门的设计原则外，还有一些特殊的要求。
首先，应考虑阀门的主要部件应能承受持久的或瞬间的很大的温度变化而引起的应力;而且在压力和温度交变下的各种载荷的作用力，不应出现明显的弹塑性变形。设计时除了对阀体、阀盖进行常规的强度计算外，还应采用有限元应力分析和抗振分析等来确保阀门产品的可靠性，所以LNG超低温蝶阀均以低碳奥氏体不锈钢(CF3、CF3M)为主体材料，其耐低温性、耐压性、耐磨、耐蚀、焊接性、强度、冲击韧度、相对伸长率及组织稳定性等均优于其他材质。其次，在满足强度、刚度要求的情况下，应力求零件的重量小，以减小热传导损失。再次，由于低温工况下阀体所承受的温度应力、连接管道的膨胀和收缩附加应力都很大，为了防止低温时应力集中的脆性破坏，壳体中的尖角、凹槽等应尽量避免。更重要的是阀体、蝶板、加长部分以及内件等零件在精加工前必须进行深冷处理，以消除相变的影响，否则在低温下会发生马氏体相变，引起阀门变形，导致阀门泄漏。
LNG超低温蝶阀的阀杆填料压套加长部分长度选定应根据流体介质和是否使用冷箱而设计化的长度，以改进在工况环境中的低温阀门性能。在标准BS6364、MSSSP-134和文献[1]均对阀杆填料压套加长部分进行了规定。BS6364带冷箱的填料压套加长部分只规定了DN100～DN500的长度，其长度最长;除冷箱用阀门外，其他用途的阀门其填料压套加长部分最小长度应为250mm。MSS-SP-134则规定了DN15～DN300带冷箱和非冷箱的长度，比较而言，非冷箱长度比BS6364规定长，带冷箱长度要短于BS6364规定。文献[1]则没有对带冷箱和非冷箱进行区分，其长度是最短的，但它针对温度范围不同制定了相应的长度。而实际应用中，各个设计院又各有规定。综合考虑，BS6364其加长长度比较可靠，如用于超低温关键场合可参考BS6364标准进行设计或按设计院特殊长度进行设计。而一般低温的可参照设计手册的长度进行设计，这样对减少阀门制作时材料的投入是非常有效的。当然设计还应该考虑加长部分的厚度能否满足驱动装置所产生的操作扭矩、其他应力以及热损失等，如果是优化设计则只能通过试验或有限元热分析来确定其长度。
阀门的密封性能是其质量优劣的主要指标。首先是外漏，由于该阀门采用对焊连接方式，无疑减少了泄漏点，在填料密封部位我们对阀杆与填料函的精度都进行严格控制，并选用了德国EagleBurgmann公司生产的9650/HT低逸散组合式阀杆填料，使填料密封满足TA-Luft标准。而内漏主要原因是密封件的刚度以及低温状态下的变形所致，所以对内件进行刚度校核、加工精度控制以及深冷处理是非常重要的。深冷处理必须在精加工之前进行，并且深冷处理应该使零件温度达到-196℃后，保温2～6h，自然处理到室温，重复循环两次。
四、LNG超低温深冷处理蝶阀设计改进方案经验总结
LNG超低温蝶阀研制完成后，经过低温试验*BS6364标准，小于DN500的阀门达到了零泄漏。但是也发现了不少问题，产品质量的稳定性并不好，对产品的加工工艺的控制上还应加强，尤其是加工精度和深冷处理等的控制更应该严格按工艺执行;同样针对LNG超低温蝶阀密封试验问题，需要设计的工装设备;其次针对对焊阀门袖管的对焊工艺等均需仔细斟酌。 三偏心阀的设计非常适合深冷应用
三偏心阀采用三个偏心设计，因其金属对金属扭矩密封、90度旋转全行程无摩擦的特性，实现真正意义上的双向零泄漏性能，即按照现行的国际标准，在高压水测试和低压空气测试下均无可见的泄漏。它的免维护内件设计(密封结构中没有任何软材料)，使其拥有超长寿命并几乎不需要维护。 低温三偏心阀是一种带有延长阀盖和弹性实心金属密封圈的阀门，使用的密封圈是由高耐腐蚀材料Nitronic 50超级奥氏体不锈钢制成，它在低温下的强度比我们常规的奥氏体不锈钢316要高出2~4倍，能够在极低温度下保证机械特性。 
什么是正顶装和侧顶装设计 三偏心阀(TOV)在LNG行业应用上的设计本着降低逸散性外漏风险和全生命周期维修任务的便利性和安全性，从最初的双法兰，到对焊连接，再升级到正顶装式对焊阀体设计，如下图1。正顶装式阀的阀板采用上装结构，需要将阀内件在外部进行维护以及易损件的更换时，整个阀板阀杆以及阀板上的密封圈都可以从阀体上部吊装出阀体内部，也就是阀门无需从管道上切割下来，就可以进行阀内件、阀杆、阀板、密封圈、轴承的维修和更换。这种设计的缺点在于： 阀座通常为 316奥氏体不锈钢，经渗氮硬化，渗氮层的厚度通常只有20微米。而正顶装阀门常规采用耐磨、较高弹性的Stellite堆焊层作为阀座，厚度达到2.5毫米，能够有效消除机械故障、并长时间地维持阀门的低泄漏，达到全生命周期免维护。侧顶装式多采用多层石墨层压密封圈，石墨材料在低温下会变得易碎，而且，石墨在低温下的收缩系数比不锈钢小2~3倍，意味着低温工况下，石墨会被挤出不锈钢密封层。
侧顶装阀门暴露在介质中的螺栓数量比整体阀座型增加了一倍多，这就需要更加特殊地采取有效防止螺栓松动的措施。总的来说，这种设计造成密封部件容易损坏，因此必须进行定期维护。
由于阀内件无法抽出，维修人员探身或进入监测孔进行维修，如图3和4所示。不但直接暴露在安全风险中(因为介质是LNG有毒气体会造成风险更大，人吸进纯LNG，迅速失去知觉，几分钟就会造成死亡)，且大口径阀门的内件更换很难完成(监测孔小且不方便操作)。
试想一下当工作人员维修有害气液体介质的高压、大口径侧顶装式阀门时，人员要佩戴防毒面具、要采取特殊安全措施和持续监测供氧；如果出现意外加压、阀门意外动作以及重型部件的拆除情况，这个工作难度不言而喻。 
五、LNG超低温深冷处理蝶阀设计改进方案结语
LNG超低温蝶阀由于其低温工况、以及其介质的危险性，所以其详细设计和生产精度的控制必须极其用心。此外，由于近年来环境问题、安全措施以及节能的要求越来越高，因此符合低逸散标准技术的发展非常重要。另一方面，国内的质量控制随机性比较强，产品性能不稳定，通过产品标准化手段和*工艺手段实现稳定的产品质量仍将是我国LNG超低温蝶阀的一个目标。
本发明公开了一种强制密封超低温蝶阀,包括阀体,阀座,蝶板,密封环,安装孔在阀座两端的周线分别为椭圆Ⅰ和椭圆Ⅱ,阀座和密封环均为纯金属结构,在阀座和密封环组成的密封副中,在原本具有的夹角一的基础上,增加夹角二,使整个阀座和密封环形成共轭密封副.阀座和密封环本体采用低温性能良好的奥氏体不锈钢材料,在密封环和阀座的表面均设置一层等离子喷焊硬化保护层,密封环表面采用等离子喷焊硬化层的方法设置一层保护层,以增加其耐磨耐腐蚀性能;在工艺上,采用机械加工+自动化研磨工艺提高密封面光洁度,其优点为耐磨耐腐蚀,从而能应用于各类超低温高压恶劣工况. |
