LNG 超低温轴流式止回阀的国产化

张建宝

（兰州高压阀门有限公司）

液化天然气（LNG）是一种清洁、高效的能源。 在环境问题倍受重视的背景下，天然气作为清洁能源越来越受到青睐。 根据国家能源规划，预计“十三五”期间在运、在建和未来几年内规划建设的国内LNG 接收站近30 座，接收能力超过60Mt。 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”［1］。据了解， 一座LNG 接收站需要配套4 000 多个各类阀门，其中2 300 多个需要从国外采购。 目前，低温闸阀、截止阀和常规的止回阀已基本实现了国产化，LNG 管道用超低温的高压球阀、大口径蝶阀、轴流式止回阀及高压调节阀等均需进口。 这些产品要求耐低温、耐高压、耐高压差，仍需要组织国产化攻关，兰州高压阀门有限公司承担了用于LNG 的超低温轴流式止回阀的国产化任务。

1 概况

LNG 温度-162℃，属于易燃、易爆且渗透性强的超低温介质。 超低温介质的运输和储存需要使用专用的超低温阀门，以杜绝超低温环境中阀门出现问题，进而引发严重事故。 根据使用工况的要求，LNG 系统设备配套的低温阀门对安全性和可靠性的要求比普通低温阀门的更高。 因此，LNG 超低温轴流式止回阀多采用对焊结构设计，主要包括阀体、阀座、阀瓣、挡圈、密封圈、导向杆及弹簧等零部件（图1）。

图1 LNG 超低温轴流式止回阀结构示意图

2 关键部件

2.1 阀体

由于超低温轴流式止回阀的进出口压降要求特别严格（不大于0.01MPa），所以其阀体均被设计成流线型，内腔的导流罩与壳体一并整体铸造成流线型且间距保持一致，可避免流体经过流道时形成不稳定流态［2］。

根据《实用阀门设计手册》计算出该阀体壁厚SB′=24.75mm，实际壁厚SB=57.20mm，显然SB>SB′，符合设计要求；采用SolidWorks 软件分析，标准压力和温度下阀体最大变形量为0.106 16mm（图2）、阀体最大等效应力约为115MPa（图3），许用弯曲应力138MPa，符合设计要求。

通过公式和SolidWorks 软件双重计算验证得出，阀体的壁厚、刚度和强度符合设计要求，满足工况使用条件［3］。

图2 阀体变形云图

图3 阀体等效应力云图

2.2 密封副

超低温轴流式止回阀的阀座采用堆焊硬质合金，而阀座与阀体间的密封采用特殊的唇形圈密封（图4），该唇形圈采用超低温材料，可用于-196℃的低温环境，密封效果很好，只是止回阀与唇形圈接触面的精度要求极高，对厂家的设备加工能力要求也高，兰州高压阀门有限公司采用豪克能技术加工与唇形圈接触的表面， 可满足0.2μm 表面粗糙度的条件要求（图4）。

图4 唇形圈密封结构示意图

2.3 特殊弹簧

轴流式止回阀内部安装的弹簧起着辅助阀瓣关闭的作用， 但对弹簧的力感应度要求极高，在介质作用力很小的情况下阀门就能打开，而在阀门全开时阀瓣与导流罩贴合，此时要求弹簧的作用力不能太大，不能让阀瓣停留在阀座与导流罩之间，避免阀瓣产生颤动而使介质出现紊流。

3 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：

a. 应考虑阀门的主要部件能承受持久的或瞬间的温度骤变而引起的应力；

b. 在压力和温度交变作用下，不应出现明显的塑性变形；

c. 设计时，除了对阀体、阀瓣进行常规的强度计算外，还应通过有限元应力、抗振分析来确保阀门的可靠性。

在选材方面，必须选用优质低碳奥氏体不锈钢作为LNG 超低温轴流式止回阀的主体材料，通常铸造成不锈钢铸件，而且必须通过射线探伤检验。 铸件中铁素体含量低于3%时，影响其焊接性能；高于12%时，会形成链状连接的马氏体，影响整体力学性能和形变。 因此，超低温铸造不锈钢中铁素体含量宜在4%～12%之间。 测试成品阀体6 个部位 （图5） 的铁素体含量， 分别为5.7%、6.9%、6.6%、6.7%、6.3%、6.4%，平均值约为6.4%。

图5 阀体铁素体测试部位示意图

在满足强度、刚度的要求时，应力求零件的重量最小，以减小热传导损失；由于“超低温”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。 最后，需要特别强调的是阀门铸件达到-196℃时，保温2～6h，重复循环两次，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。

阀门的密封性能是衡量其质量优劣的主要指标。 首先杜绝“外漏”，该阀门采用对焊连接方式，无疑减少了泄漏点，在阀座与阀体部位均严格保证接触表面的精度， 并选用特殊的唇形圈，使密封性能达到相应标准。 其次杜绝“内漏”，通过采取校核内件刚度、控制加工精度和“深冷处理”的措施，保证了密封件的刚度，有效防止低温下的变形。

4 结束语

LNG 超低温轴流式止回阀的低温工况和危险介质，严控设计和生产精度极为重要，尤其是阀体流线型的设计起到关键作用，直接影响阀门进出口的压降，运用SolidWorks 软件进行有限元模拟分析完成优化设计。 用于LNG 的铸件必须经射线探伤检验为优质，且通过先进的机加工工艺来保证阀门的质量。 随着低温工程规模的不断扩大，超低温轴流式止回阀将有更大的需求。