LNG联运罐箱用紧急切断阀设计及试验研究

周世豪，李 成，张新奇，余 巍

(中国船舶重工集团公司第725研究所，河南 洛阳 471000)

0 引 言

LNG罐箱多式联运是以LNG罐式集装箱作为能源商品，集合水路、陆路多种运输方式，实现“一罐到底”直达终端用户，具有“宜储易运”，灵活性强特点，可实现公路、铁路、水运之间无中间环节的便利国际联运。目前，LNG罐箱多式联运备受业内青睐，国内LNG产业链各环节的相关企业均已开始布局相关业务。就国内而言，LNG罐箱多式联运可低成本、规模化到达目前天然气管网无法覆盖的区域，不仅可颠覆性解决LNG能源的运输问题，未来还将高效、低成本打通国际资源与国内终端客户连通渠道，成为传统LNG模式的有效补充。紧急切断阀作为LNG联运罐箱安全附件之一，通过气动控制实现远程监控、现场手动操作以及紧急情况下(着火、温度异常等)的自动切断功能，是保证罐箱安全、稳定运行的关键配套设备[1-3]。

为提高紧急切断阀在车载低温工况的稳定性和安全性，笔者设计了一种新型结构的LNG联运罐箱低温紧急切断阀，并介绍了其工作原理、结构组成及材料选择等，对阀门的关键零部件进行校核计算。并通过低温性能试验验证了该结构设计的合理性和可靠性，为低温紧急切断阀的设计与研究提供了一种新的参考。

1 低温紧急切断阀设计

1.1 新型低温紧急切断阀组成

常规气缸结构的低温紧急切断阀结构如图1所示。

图1 气缸结构低温紧急切断阀

主要由阀体、阀瓣、长颈阀盖、阀杆、填料、行程指示器、气缸、手轮等组成。由于低温特殊工况要求，阀门往往呈现“细长颈”和“两头重、重心高”的结构特点，易造成管路负荷较大、安装空间浪费等问题。同时，由于LNG槽车在高速行驶过程中，其动力系统自身产生的振动导致LNG充装管路和配套阀门不可避免的出现振动。因此，紧急切断阀在实际应用过程中存在异常振动现象，整阀往往因受力集中而引起阀门的泄漏、失效，从而诱发严重的安全事故[4-6]。

图2 膜片式结构低温紧急切断阀1.阀体 2.阀瓣组件 3.密封垫片 4.阀盖组件 5.阀杆 6.弹簧座 7.弹簧 8.填料组件 9.下盖 10.膜片组件 11.上盖 12.消音器 13.接气管 14.易熔塞 15.手轮组件

如图2所示，文中设计了一种新型膜片式结构的低温紧急切断阀，阀门由阀体、阀瓣组件、密封垫片、阀盖组件、阀杆、弹簧座、弹簧、填料组件、下盖、膜片组件、上盖、消音器、接气管、易熔塞、手轮组建等组成，具体如图2所示。其中阀瓣组件包括阀瓣、密封圈、密封圈压板、弹簧垫圈、锁紧螺母、压紧螺母、对开环等；阀盖组件包括阀盖体、接管和上法兰等；填料组件由衬圈、填料、填料压套、填料函、O型圈组等成；膜片组件由下支撑板、膜片、上支撑板、弹簧垫圈、薄螺母等组成；手轮组件由螺杆、限位套、平垫片、薄螺母和手轮组成。阀体和阀盖组件用双头螺柱连接，由密封垫片密封。弹簧位于阀盖接管中，安装在弹簧座和填料函之间，弹簧座与阀杆凸台紧密接触，可随阀杆上下运动，从而改变弹簧预紧力的大小。填料压套在阀杆上通过螺纹连接在填料函上，同时压紧填料组，用内外三组O形圈分别与填料函和阀杆实现内外密封，防止杂质进入而影响填料密封效果；填料函与阀盖上法兰通过螺柱、螺母和弹簧垫圈连接在一起，并由密封垫片进行密封。填料组件实现对阀盖上法兰和阀杆的密封，确保介质不因阀杆运动而泄漏。紧急切断阀上盖、膜片和下盖通过螺栓连接，组成密闭的膜腔，膜片组件在膜腔内与阀杆通过薄螺母连接在一起，并通过O型圈实现上下膜腔的隔绝。手轮安装在上盖顶端，与螺杆配合连接，通过螺杆螺纹传动，膜片组件向上运动，进而带动阀杆、阀瓣向上移动，阀门开启，实现紧急切断阀手动开启。在正常工作状态时，手轮单独存放，以防止人员误操作，只有在系统故障或阀门检修时，允许操作人员用手轮进行阀门启闭，手动开启阀门后气动功能自动失效，手动复位后方可气动控制，以保证整个管系运行的安全性和可靠性等。

1.2 工作原理

LNG联运罐箱低温紧急切断阀通过焊接方式与管路系统连接。空载状态时，在弹簧的预紧力作用下，通过阀杆和阀瓣，使阀瓣密封圈和阀体密封面紧密贴合，保持阀门的关闭；工作时，向膜腔内充入压缩气体，在气源压力作用下，膜片克服弹簧力向上运动，带动阀杆及阀瓣向上，阀门打开；当处于开启状态的阀门，周围环境温度升高至70±5 ℃时，易熔塞熔化，膜腔内压缩气体排放，膜片失压，阀杆在弹簧力的作用下向下运动，推动阀瓣迅速向下关闭阀门，切断管路内介质的继续排放，防止危险发生或扩大。

1.3 低温紧急切断阀材料选择

根据低温紧急切断阀的工况和使用要求，阀门的承压部件如阀体、阀盖等大多选用金相组织比较稳定的奥氏体不锈钢。其中，阀体、阀瓣选用精密铸造成型的CF8铸件，阀杆、阀盖、阀盖上法兰、弹簧座等内件选用06Cr19Ni10棒材，阀瓣密封圈选用耐低温性能优良的聚三氟氯乙烯，阀盖密封垫选用石墨缠绕垫片，填料选用聚四氟乙烯加柔性石墨组合型填料，填料函内外密封和膜腔上下密封选用丁腈橡胶O形圈，膜片选用夹布丁腈橡胶材料，弹簧垫圈、锁紧螺母等选用不锈钢1Cr18Ni9Ti，螺杆、填料压套、对开环等选用耐磨且低温性能优良的铜合金材质[7]。

1.4 膜片式低温紧急切断阀特点

相对于传统的气缸型结构，新设计的膜片式低温紧急切断阀具有以下特点：①弹簧与膜片分离式结构设计，将弹簧安装在长颈接管内，满足低温工况下所要求的连接管高度的同时，降低了膜腔部分所需的弹簧安装尺寸，缩短了整阀的安装高度，整阀较原设计总高度缩短了1/3左右；②采用膜片式结构执行器，大大降低了执行器部分的整体重量，从而使整阀的质量也减轻了1/3左右；③弹簧安装在长颈接管内，接管直径增大，使阀门从上至下质量较为均衡，降低阀门因车载频繁振动而引起泄漏、失效的风险；④阀杆部位采用聚四氟乙烯加柔性石墨组合型填料+内外O形圈多重密封结构，提高了阀杆密封可靠性。

2 低温紧急切断阀设计计算

对低温紧急切断阀主要零部件进行校核计算[8-9]。

2.1 阀体壁厚计算

(1)

式中：tB′为计算厚度，mm；p为计算压力，PN设计给定，MPa；Dn为计算内径，设计给定，mm；[σL]为许用拉应力，查表，MPa；C为腐蚀余量，C取5.0 mm，设计给定，mm；tB为实际厚度，设计给定，mm。

通过计算可知，阀体选用奥氏体不锈钢CF8铸件时，计算得到壁厚为6.46 mm，考虑接口尺寸要求及加工工艺性，阀体实际壁厚为7.0 mm，满足要求。

2.2 密封比压的计算

阀瓣和阀体密封选用聚三氟氯乙烯圈和阀体金属之间软密封，阀瓣和阀体的密封副密封面比压按下式计算：

(2)

式中：QMJ为密封面处介质力，N；QMF为密封面上密封力，N；DMN为密封面内径，mm；bm为密封面宽度，mm。

其中：QMJ=0.25π(DMN+bm)2p,QMF=π(DMN+bm)bmqMF，通过计算得QMJ为7 088 N，QMF为3 088 N，将QMJ、QMF、DMN、bm代入式(2)得，q为45.48 MPa。必须比压qMF按下式计算：

(3)

密封面材料为PCTFE，需用比压[q]=50 MPa，qMF

介质从阀瓣上方流入时，阀杆最大轴向力在开启时产生，按下式计算：

QFZ″=QMJ+QT-QP

(4)

式中：QFZ″为开启瞬时的阀杆总轴向力，N；QMJ为关闭时作用在阀瓣上的介质力，N；QT为阀杆与填料间的摩擦力，N；Qp为介质作用在阀杆上的轴向力，N；QT=πdFhTμTp，通过计算得QT为497.4 N，其中dF为阀杆直径，取18 mm；hT为填料层总高度，取22 mm；μT为阀杆与填料之间的摩擦系数，μT取0.1；Qp=πdF2p/4，通过计算得Qp为1 017.4 N，带入式(4)得，QFZ″为6 568 N。

2.3 弹簧及阀杆受力的分析

(1) 介质从阀瓣上方流入时，阀杆最大轴向力在开启时产生，阀杆轴向合力按下式计算：

F1=F2+Fm

(5)

式中：F1为轴向合力，N；Fm为阀芯关闭所需密封力，N；F2为开启瞬时阀杆总轴向力，N；FT为弹簧压力，N。

其中，Fm=QMF=3 088 N；F2=QFZ″=6 568 N

(2) 弹簧压力FT计算

FT=F1=3 088 N+6 568 N=9 656 N

取1.1倍安全系数，弹簧预紧力取10 621.6 N。

2.4 阀杆强度校核

阀杆所受的最大力为压力，拉压应力按式校核：

σ=F1/S≤[σ]

(6)

式中：σ为最大压应力，MPa；F1为阀杆最大压力，N；S为最小截面处的面积，S计算为78.5mm2；[σ]为材料的许用拉或压应力，取[σ]为140 MPa，以上带入式(6)计算得：σ=F1/S=1 0621.6/78.5=135.3 MPa<[σ]，校核合格，满足设计要求。

2.5 阀盖与阀体连接螺栓强度计算

阀盖与阀体连接所需的总作用力：

Q=QDJ+QDF

(7)

式中：QDJ为垫片处介质作用力，N；QDF为垫片上密封力，N。

其中，QDJ=0.25πDDP2p，QDP=0.25π(DW2-DN2)qMF，DDP为垫片平均直径，取70.5 mm；DW为垫片外径，取76 mm；DN为垫片内径，取65 mm；qMF为垫片必须比压，取值为7.3 MPa。通过计算得QDJ为15 614 N，QDP为8 892 N，代入式(7)得，阀盖与阀体连接所需的总作用力Q=24 506 N。

阀盖与阀体所需的轴向密封力无法直接实现，必须通过螺母的拧紧力矩来得到。螺母的拧紧力矩由三部分组成：由升角产生，用于产生预紧力使螺栓杆伸长；螺纹副摩擦；支撑面摩擦。所需拧紧力矩T的计算公式为：

T=K×P×d

(8)

式中：K为扭矩系数，取0.15；P为螺栓预拉应力，kN；d为螺栓的螺纹公称直径，mm；通过计算，拧紧力矩T=55.14N·m。

2.6 弹簧的计算

紧急切断阀中弹簧的预紧力主要是压缩预紧力，实现阀芯关闭，弹簧预紧力初步取1 968 N。弹簧选材06Cr19Ni10钢丝，钢丝直径初步选择为10 mm，弹簧旋绕比取4.8，有效圈数取6.5，则刚度K=123 N/mm，自由高度130 mm，预压缩量16 mm，节距P=17.7 mm。

2.7 膜片验算

紧急切断阀所需膜片驱动力为：

(9)

式中：Fm为阀杆与填料之间摩擦力，即Fm取497.4 N；DMW为密封面外径，取48 mm。

带入式(9)得，F≥6 737.2 N。

所需信号气源压力：

p2′=4F/D2π=4×6737.2/1802×3.14=0.26 MPa

式中：D为气缸直径，取180 mm。

所需气源压力为0.26 MPa<0.6 MPa，满足要求。

3 试验验证

开展低温紧急切断阀的低温密封试验考核，具体试验装置组成如图3所示。将研制样机放入液氮杜瓦槽内，保证液氮盖住阀体与阀盖连接上端，冷却过程中保持阀门充气。待浸泡各处的温度稳定在-196 ℃时，阀内冲入氦气进行密性试验。此时，用试验前布置的各组热电偶，监测阀内、阀体、阀盖填料函处温度，紧急切断阀具体试验过程如图4所示。

图3 低温试验装置组成1.氦气瓶 2.调节阀 3.远控阀 4.压力表 5.保温盖 6.液氮槽 7.蛇形管 8.被测阀 9.液氮 10.针阀 11.计泡器 12.流量计

图4 低温紧急切断阀试验过程

表1 低温紧急切断阀试验结果

紧急切断阀具体试验结果如表1所列，低温状态下阀门开启气源压力P<0.6 MPa，动作时间t<5 s，阀门启闭灵活、无卡阻。低温状态下研制样机的密封、动作及驱动气源压力指标满足GB/T 24918-2010低温介质用紧急切断阀要求[10]，且低温试验时填料函底部热电偶温度显示为3.2 ℃，满足填料函部位的温度在0 ℃以上的设计要求。通过研制样机低温性能试验验证了该结构设计的合理性和可靠性，为低温紧急切断阀的设计与研究提供了新的参考。

4 结 语

为满足LNG联运罐箱运输、贮存系统中的安全防护使用要求，文中通过设计一种弹簧膜片分离式结构低温紧急切断阀，并对其工作原理、结构组成、材料选择及其特点进行了详细描述，对阀门的关键零部件进行校核计算。另外，对低温紧急切断阀研制样机进行低温性能试验检测，试验结果表明在低温状态下样机的密封、动作及驱动气源压力等技术指标满足GB/T 24918-2010低温介质用紧急切断阀要求，验证了该结构设计的合理性和可靠性，为同类产品的设计、开发提供了一种新的思路。