简述LNG上装式超低温球阀的解决方案

段大军，何 武，李松岭

（重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400700）

0 引言

天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，天然气在能源供应中的比例迅速增加。液化天然气正以每年约12%的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。中国天然气利用极为不平衡，天然气在中国能源中的比重很小。从中国的天然气发展形势来看，天然气资源有限，天然气产量远远小于需求，供需缺口越来越大。尽管还没有形成规模，但是LNG的特点决定LNG发展非常迅速。近年来，国内LNG在天然气供应中的比例增加迅速，占比从2006年的1.6%提高到2016年16.6%。第一座LNG接收站广东大鹏LNG接收站于2006年建成投产，目前已建成液化天然气接收站11座，LNG接收能力达到4380万吨/年。2017年，国内天然气消费量超过2351亿立方米，同比增长近15%，其中LNG进口量达到3940万吨，比上年增长46%，成为全球第二大LNG进口国。另外，中国正逐渐成为世界上最大的加工厂，阀门产品的加工制作面临更大的发展空间。由此可见，只要企业能够抓住机遇，加强研发能力，不断提高产品科技含量和产品质量，就能在激烈的市场竞争中占据主动地位。在此市场背景下，公司拟自主开发具有在线维修功能的LNG低温蝶阀系列，打破技术瓶颈，将获得新的利润。打破超低温蝶阀依赖进口的历史，打开LNG在在线维修低温蝶阀在乙烯，液化天然气装置，天然气LPG、LNG储罐，空分设备，石油化工尾气分离设备，液氧、液氮、液氩、二氧化碳低温贮槽及槽车、变压吸附制氧等装置的市场。

1 设计难点及参数

工况特点：温度：-196℃；压力：Class900；泄漏等级：BS6364；易燃易爆

1）如何在超低温状态下，降低阀门开关力矩，防止阀门卡涩。

2）如何提高阀座密封结构的稳定性，提高阀门的使用寿命。在超低温环境下，阀门零件由温度变化而收缩，但其收缩量不易控制，进而导致阀门内漏，造成大量能源浪费和巨大的经济损失。

3）如何确保超温下核心零部件的稳定性。

4）参数。

◆ 本产品执行标准：① GB/T 24925-2010《低温阀门技术条件》；② S6364《低温用阀门》③ ASME B16.34《法兰端、螺纹端和焊接端阀门》； ④ API598《阀门的检查和测试》

◆ 公称压力：Class150 ～ Class1500

◆ 公称通径：DN25～ DN600

◆ 适用温度：-196℃～+150℃

◆ 使用寿命：10000次

2 解决方案

本设计提供了一种新型LNG超低温上装式球阀结构，提高了阀门的稳定性和安全性。其主要工作原理是在阀体内部放置一个球芯，球芯通过阀杆和底轴来支撑和传递扭矩，在驱动力的作用下带动球芯旋转90°来切断或开启介质流通。阀体两侧设置阀座，阀座与球芯的紧密接触保证了球芯与阀座之间的密封。阀座背面设有阀座预紧弹簧，预紧弹簧装入弹簧座内，弹簧座固定在阀体上，通过预紧弹簧为球芯与阀座的紧密接触提供稳定的预紧力。阀座与阀体之间设计蓄能式密封圈，蓄能式密封圈内自带预紧弹簧。在介质压力下，密封可靠，蓄能式密封圈后端设计防火石墨，在介质压力下实现密封。球芯左端阀座蓄能式密封圈采用单活塞结构设计，球芯右端阀座蓄能式密封圈采用双活塞结构设计，则中腔压力只能向阀体左端泄压。

采用CFD（计算流体力学）软件模拟，对LNG超低球阀的核心零部件的温度场、密封性能、球芯强度及阀杆强度进行了详细分析，以DN150 Class1500的球阀为例：

1）分析概况

工况参数：介质温度为-196℃，外界温度为-20℃，阀前压力为9.8Mpa，压差为25Mpa，球芯卡死扭矩为12200N*m，阀座弹簧力9200N。

图1 整机温度分布图Fig.1 Temperature distribution of the whole machine

图2 常温下阀座与球心密封面接触云图Fig.2 Contact cloud diagram of seat and center sealing surface at room temperature

模型概况：阀体材质为C F 8 M，阀芯材质为316+PCTFE+Ni50A，阀杆材质为S20910，阀座阀体间隙量为0.083mm，阀座与球芯过盈量为0.2mm。

2）分析结果

图1所示为LNG超低温球阀在介质温度为-195℃、外界温度为-20℃下的整机温度分布云图；阀杆与上阀盖顶部温度为-23.8℃，与环境温度相差不大。

图2所示为常温下，在介质压力9.8Mpa、阀座弹簧力为9200N下，阀座与球心密封面接触情况，其密封面接触压力分布在14Mpa左右，密封面无间隙。

图3所示为低温下，在介质压力9.8Mpa、阀座弹簧力为9200N下，阀座与球心密封面接触情况，其密封面接触压力分布在10Mpa左右，密封面无间隙；相较于常温状态，密封面接触压力降低，密封性能降低。

图3 低温下阀座与球心密封面接触云图Fig.3 Contact cloud diagram of seat and center sealing surface at low temperature

图5 阀杆应力分布图Fig.5 Valve rod stress distribution map

图6 原设计温度场分布图Fig.6 Original design temperature field distribution map

图4、图5所示分别为球芯、阀杆在压差为25Mpa，扭矩为12200N*m，球芯卡死状态下的球芯与阀杆的应力分布云图。由图4可知，球芯扁方处存在较大应力，主要集中在198Mpa以下，依据其材质为316，屈服强度为205Mpa可得，局部已发生屈服应变，球芯主体可满足使用要求；扁方处强度偏低，条件允许可加厚扁方，提高强度；由图5可知，阀杆扁方处存在应力集中，主体应力集中在189Mpa以下，依据其材质为S20910，屈服强度为380Mpa可得，阀杆强度可满足要求。

3）加长阀盖及滴水板结构分析

按MESC SPE 77/200-2008壳牌标准和结合有限元温度场分析，重新进行加长阀盖设计并改制现有阀门，并通过粗略有限元分析计算出温度场的变化，并确定保温层和滴水板位置，再通过精确的有限元分析，得出阀盖加长杆的高度，并出有限元温度场分析报告。使原设计阀门加长杆高度减短，同时阀杆也减短，增加了阀杆转动强度。通过计算阀杆在传动位跳动0.01mm，每增加100mm长度，阀杆跳动量增加0.04mm。则阀芯跳动0.12mm，阀杆填料函位置跳动量则为0.005mm。从而保证在阀门开关时填料函两端填料受力均布，减少阀门的微泄漏。

图7 优化设计后温度场分布图Fig.7 Temperature field distribution after optimized design

通过对超低温阀门滴水板位置、蒸汽空间长度的分析，优化选定蒸汽空间长度，加长保温套长度，滴水板位置不变的模型并进行分析，得到在正常工况下该模型填料函底部的温度，在冷态试验工况下满足超低温球阀填料函在外部环境下处于0℃以上的要求，也达到了节省材料及留有余地的目的。

3 结论

近年来，随着中国国民经济的高速和持续发展，环保压力的持续高涨，LNG天然气的需求出现大幅增长，目前已成为国内重要的能源之一。国内部分沿海城市大批量投入LNG接收站，对LNG超低温球阀的需求量大幅增加，谁掌握了超低温球阀技术，谁将获得丰厚利润而通过理论计算和CFD数值模拟计算相结合，将大大缩短阀门的研发周期，为成功实现超低温球阀的国产化奠定基础。