液化天然氣用超低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)計(jì)算
上海申弘閥門(mén)有限公司
LNG超低溫截止閥設(shè)計(jì)參數(shù)如下所示。 公稱(chēng)通徑：8" 工作溫度：-196℃ 工作壓力：1.6MPa 工作介質(zhì)：液化天然氣 安全等級(jí)：常規(guī)級(jí) 主體材料：AISI304 天然氣經(jīng)脫水、精制和冷卻，在－ 163 ℃低溫下壓縮成液化天然氣( Liquefied Natural Gas － LNG) ，節(jié)省儲(chǔ)存和運(yùn)輸空間，降低儲(chǔ)運(yùn)成本。因此，LNG具有天然氣的易燃易爆性。閥門(mén)對(duì)LNG 裝置安全可靠地運(yùn)行具有極為重要的作用。雖然閥門(mén)占LNG 接收站總投資的百分之幾，但在日常維修中要占總維修費(fèi)用的50% 以上。根據(jù)LNG 設(shè)備事故案例分析，有多起案例因閥門(mén)故障和失效造成LNG 泄漏，使整個(gè)裝置停機(jī)甚至燃燒爆炸。LNG 閥門(mén)LNG 裝置上使用的超低溫閥門(mén)主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有JB /T 7749、GB /T 24925、BS 6364、MSS SP－134和MESC SPE77 /200 等。閥門(mén)材料LNG 閥門(mén)正常工作溫度為約－ 163 ℃，在此溫度下，金屬材料將發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象，即強(qiáng)度和硬度升高，塑性和韌性大幅下降，這會(huì)嚴(yán)重影響閥門(mén)的安全性。為防止材料在低溫下的低應(yīng)力脆斷，閥體和閥瓣等部件常采用奧氏體不銹鋼。如304、304L、316、316L 等，其中316L 穩(wěn)定性。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性、耐腐蝕性和焊接性，線膨脹系數(shù)低。但是奧氏體不銹鋼中S 和P 等雜質(zhì)會(huì)降低材料的強(qiáng)度及低溫沖擊韌性，應(yīng)嚴(yán)格控制其含量。上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、高壓閥門(mén)、中壓閥門(mén)、低壓閥門(mén)、水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。閥體、閥蓋、閥瓣、閥座和閥桿等部件必須進(jìn)行低溫深冷處理，使奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體和變形充分后再進(jìn)行精加工，以降低溫度對(duì)超低溫閥門(mén)密封性能的影響。低溫處理溫度應(yīng)低于材料相變溫度且低于閥門(mén)實(shí)際工作溫度。處理時(shí)間1 ～ 2 h，然后取出自然冷卻到常溫，重復(fù)循環(huán)2 次。
2.1 超低溫截止閥密封比壓計(jì)算
根據(jù)ASME B16.34表2-2.1A，常溫壓力PN=1.9MPa 根據(jù)《閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》P37表3-17 密封面上的密封力： 4/q)/1)(D(QMF22MMFαtgfDMMNW???? (2.1) =?(2022-1992)×（1+0.3/tg30°）9.13/4 = 13102.06N
式中：DMN—密封面的外徑，DMN=202mm
DMN—密封面的內(nèi)徑，DMN=199mm bM—密封面的寬度，bM=3.5mm
α—密封面的錐半角，α=30° fM—密封面的摩擦系數(shù)，fM=0.3 密封面的必須比壓：
密封面上的介質(zhì)靜壓力：
MJQ=P)bD(42MMN??N=4?
(199+3.5)2×1.9= 61160.82N (2.3)
密封面上的總作用力：
MZQ=MFQ+MJQ=13102.06+61160.82=74262.88N (2.4)
密封面上比壓LNG超低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)及材料低溫物性的研究
]q[—許用密封比壓，]q[＝250Mpa
結(jié)論：MFq=9.13Mpa＜q＝114.65＜]q[＝250Mpa 滿(mǎn)足條件
2.2 超低溫截止閥閥體壁厚計(jì)算
根據(jù)洪勉成等《閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》P25表3-1
式中：][L?—閥體材料許用拉應(yīng)力，查表][L?＝84Mpa DN—閥體中腔大內(nèi)徑，DN＝250mm
C—腐蝕余量，按照沈陽(yáng)閥門(mén)研究所《閥門(mén)設(shè)計(jì)》表7-5取C=5 閥體實(shí)際壁厚SB＝12.7mm
結(jié)論：SB＝12.7mm＞SB’＝7.48mm 滿(mǎn)足條件
2.3 超低溫截止閥閥桿分析
2.3.1 閥桿軸向力計(jì)算
閥桿為升降桿，介質(zhì)從閥瓣下方流入，大軸向力在關(guān)閉的瞬時(shí)產(chǎn)生，根據(jù)沈陽(yáng)閥門(mén)研究所《閥門(mén)設(shè)計(jì)》P179公式計(jì)算閥桿軸向大力：
QMJ—密封面上介質(zhì)靜壓力，由6.0得MJQ=61160.82N QMF—密封面的密封力，由6.0得QMF= 13102.06N QT—閥桿和填料的摩擦力，按《閥門(mén)設(shè)計(jì)》P152進(jìn)行計(jì)算 QT = πdFhZ1.2PNf = π×40×9.5×5×1.2×1.9×0.1=1360.25N 式中：dF—閥桿的直徑，dF=40mm
h—單圈填料和閥桿直接接觸的高度，h=9.5mm Z—填料的圈數(shù)，Z=5 PN—常溫壓力，PN=1.9Mpa f—填料和閥桿的摩擦系數(shù)，取f=0.1 QJ′ —關(guān)閉時(shí)，防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的摩擦力
R—計(jì)算半徑
fJ—防轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的摩擦系數(shù)，取0.2 RF—關(guān)閉后閥桿螺紋處摩擦的半徑 2.3.2 閥桿總扭矩計(jì)算
介質(zhì)從閥瓣下方流入，大扭矩在關(guān)閉的瞬時(shí)產(chǎn)生，根據(jù)《閥門(mén)設(shè)計(jì)》P181
公式進(jìn)行計(jì)算：
M—關(guān)閉時(shí)閥桿扭矩，可按下式計(jì)算 'FL
M='FZQ·RFM =76626.24×3.6=275854.46N·mm
式中：RFM—關(guān)閉時(shí)閥桿螺紋的摩擦半徑，查《閥門(mén)設(shè)計(jì)》P180表9-4，
RFM=3.6mm
FJM'—閥桿螺紋凸肩處的摩擦扭矩，可按下式計(jì)算
2''FJFJFZFJdfQM???
(2.9) =76626.24×0.01×71.5/2=27393.88N·mm
fFJ—摩擦系數(shù)，查表9-6取0.01dFJ—接觸面平均直徑
'
ZM—作用在手輪上的總扭矩 'Z
M='FLM+FJM'=275854.46+27393.88=303248.34 N·mm 2.4 超低溫截止閥閥桿應(yīng)力校核
（1）小截面積
閥桿的小截面積在閥桿螺紋處 閥桿螺紋部分選用1 1/2-4ACME-2G-LH，螺紋中徑d=31.75mm 小截面積22233.79175.314
4mmdA??????
?
（2）閥桿壓應(yīng)力
y?=AQFZ?=76626.24/791.33=96.83MPa
(2.10) ][y?—閥桿材料許用壓應(yīng)力，根據(jù)《閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》表4-7查得][y?=170MPa 結(jié)論: y?=96.83MPa＜][y?= 170MPa 滿(mǎn)足條件
（3）扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力
上部螺桿受軸向力與力矩作用，下部閥桿只受軸向力，因此扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力只考慮上部螺桿即可。
N?=1FL'r/JM =275854.46/(81685.42/12.7)=42.89MPa (2.11)
式中：J—螺桿螺紋根部小截面慣性矩
J=264d42?=2×π×25.44/64=81685.42mm4 (2.12)
r1—螺紋根部小半徑，r1=d2/2=25.4/2=12.7mm
][N?-閥桿材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，根據(jù)《閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)》表4-7查得
][N?=87MPa
結(jié)論： N?=42.89MPa＜][N?=87MPa 滿(mǎn)足條件 （4）合成應(yīng)力2.5 超低溫截止閥閥桿穩(wěn)定性分析
（1）閥桿柔度（細(xì)長(zhǎng)比）λ
根據(jù)《閥門(mén)設(shè)計(jì)》P153閥桿的強(qiáng)度，計(jì)算閥桿柔度λ：
λ=4094051.044????FFdl??=47.94 (2.14) 式中：
lF—閥桿計(jì)算長(zhǎng)度，閥桿螺母螺紋總長(zhǎng)中點(diǎn)到閥桿端部的長(zhǎng)度，lF=940mm
dF—閥桿光桿處的直徑，dF= 40 mm
μλ—和閥桿兩端的支承狀態(tài)相關(guān)的系數(shù)，由《閥門(mén)設(shè)計(jì)》P153表7-19查：
取μλ = 0.51
（2）閥桿的穩(wěn)定性校核
由《閥門(mén)設(shè)計(jì)》P154表7-20可以查得閥桿柔度上臨界λ2與閥桿柔度下臨界λ1：
λ1=60 λ2=115.0
λ =47.94≤ λ1 = 60 滿(mǎn)足*種情況屬于低細(xì)長(zhǎng)比小柔度壓桿，不進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。
結(jié)論：低細(xì)長(zhǎng)比 閥桿穩(wěn)定
2.6 超低溫截止閥閥瓣應(yīng)力校核
閥瓣大載荷是在關(guān)閉的終，這時(shí)閥瓣受到閥桿力、介質(zhì)作用力和密封面間摩擦力以及閥座支反力的作用，應(yīng)對(duì)危險(xiǎn)斷面的彎應(yīng)力進(jìn)行校核。根據(jù)《閥門(mén)設(shè)計(jì)》P187公式，閥瓣圖形如圖2.1所示，對(duì)于介質(zhì)從下方流入的升降桿閥瓣，彎曲應(yīng)力計(jì)算如下：
當(dāng)介質(zhì)從閥瓣下面引入時(shí)，彎曲應(yīng)力2.11 中法蘭螺栓扭緊力矩
計(jì)算螺母扭緊力矩的計(jì)算公式為(《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P6-15)
T＝KFd/n
(2.27) ＝0.2?285809.12?19/12 ＝90506.22N·mm ＝90.51N·m
式中：
F―預(yù)緊力(墊片壓緊狀況下)，F(xiàn)＝Q＝285809.12N d―螺紋大徑，d＝19mm K―扭轉(zhuǎn)系數(shù)，取K＝0.2 N－螺栓個(gè)數(shù)，n＝12
特殊要求
(1) 設(shè)計(jì)與工藝
防止LNG 泄漏非常重要。為減少泄漏點(diǎn)，閥體要求鍛造( 或鑄造) 整體成型。端法蘭采用對(duì)焊連接，慎用法蘭連接。為保證對(duì)焊端面焊后低溫機(jī)械性能，閥體應(yīng)選用低碳奧氏體不銹鋼304L 或316L。對(duì)于閥門(mén)部件的強(qiáng)度焊接，應(yīng)實(shí)施焊接工藝評(píng)定。
奧氏體不銹鋼在焊接熱影響區(qū)由于碳化物析出和馬氏體形成，會(huì)引起低溫脆性，焊后進(jìn)行固溶處理。閥門(mén)部件原材料質(zhì)量要嚴(yán)格控制。與LNG 直接或間接接觸的部件必須進(jìn)行滲透、超聲波或射線等無(wú)損檢測(cè)，還須深冷處理及－ 196℃ 低溫沖擊試驗(yàn)。所用奧氏體不銹鋼要求進(jìn)行固溶、退火熱處理供貨。
低溫閥門(mén)的閥桿應(yīng)設(shè)計(jì)為防吹出結(jié)構(gòu)。低溫工況頻繁操作的閥門(mén)，其內(nèi)件應(yīng)能避免引起卡阻、咬合和擦傷等。低溫閥閥體在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求時(shí)，對(duì)不同壁厚的閥體連接應(yīng)逐漸過(guò)渡，避免壁厚突變引起應(yīng)力集中。壁厚設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)引起焊接裂紋。
低溫閥各部件在溫度和壓力的交變載荷作用下不應(yīng)出現(xiàn)明顯的彈性塑性變形，因此，在閥門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了對(duì)閥體、閥蓋、閥桿和閥瓣進(jìn)行常規(guī)的強(qiáng)度計(jì)算外，還應(yīng)采用有限元應(yīng)力分析和抗震分析來(lái)確保閥門(mén)的可靠性。
(2) 加長(zhǎng)閥蓋
低溫閘閥、截止閥、球閥和蝶閥的閥蓋應(yīng)設(shè)計(jì)成便于保冷的加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)( 長(zhǎng)頸閥蓋) 。閥蓋的長(zhǎng)頸部分可采用與本體材質(zhì)相同的無(wú)縫鋼管對(duì)焊到閥蓋和填料箱上，焊后應(yīng)進(jìn)行熱處理以消除應(yīng)力。加長(zhǎng)閥蓋可使填料函底部的工作溫度高于0℃。如果填料函結(jié)冰，不但影響閥桿的正常操作，而且也會(huì)因閥桿的上下運(yùn)動(dòng)劃傷填料，造成密封失效。閥桿與長(zhǎng)頸部分的間隙應(yīng)按盡可能小的對(duì)流熱損失設(shè)計(jì)，但間隙對(duì)填料函溫度影響很小，閥蓋長(zhǎng)度和閥徑厚度是影響填料函溫度的主要因素。加長(zhǎng)閥蓋下部焊接滴水盤(pán)，可防止冷凝水進(jìn)入保冷層，避免或減少保溫層下腐蝕( CUI) 。
(3) 防異常升壓
當(dāng)球閥和閘閥關(guān)閉時(shí)，閥門(mén)中腔殘留的LNG 因周?chē)h(huán)境的相對(duì)高溫引起的熱傳遞會(huì)快速升溫氣化、壓力急劇升高。過(guò)高的氣壓可能導(dǎo)致閥桿密封泄漏、中法蘭密封泄漏、閥體緊固件失效等。高壓泄放通常采用閥門(mén)內(nèi)部或外部泄放。內(nèi)部泄放是指閥門(mén)進(jìn)口端采用彈性泄放閥座或在閘板( 圖1) 及球體( 圖2) 上開(kāi)設(shè)泄壓孔連通中腔和管道進(jìn)口端。一旦異常升壓，中腔介質(zhì)泄放至進(jìn)口管道，可保持閥門(mén)中腔與管道進(jìn)口段壓力平衡。外部泄放是在中腔閥體外安裝減壓閥，當(dāng)中腔壓力達(dá)到泄放壓力時(shí)，中腔介質(zhì)通過(guò)減壓閥進(jìn)入泄放氣收集系統(tǒng)。通常，對(duì)于DN≤300 的低溫閘閥，在閘板( 球體) 上開(kāi)設(shè)平衡孔。DN300 以上閥門(mén)在閥體外設(shè)旁路減壓閥。低溫閘閥的泄壓孔 低溫球閥的泄壓孔圖1 低溫閘閥的泄壓孔 圖2 低溫球閥的泄壓孔
常用的超低溫閥門(mén)
(1) 閘閥
標(biāo)準(zhǔn)低溫閘閥是單向密封的，其彈性閘板上開(kāi)有3 mm 的泄放孔，連通閥腔與上游管道。閥腔異常升壓時(shí)，可通過(guò)泄放孔與上游管道達(dá)到壓力平衡。在閥內(nèi)部，上游介質(zhì)壓力將彈性閘板緊壓在下游閥座密封圈上，實(shí)現(xiàn)下游低壓側(cè)密封。雙向密封閘閥是在閥腔外設(shè)置減壓閥，而不必在閘板上開(kāi)孔。外部泄壓使閘閥實(shí)現(xiàn)上下游雙向密封。超低溫閘閥須在閥體上標(biāo)識(shí)介質(zhì)流向。
(2) 球閥
超低溫球閥采用頂裝式結(jié)構(gòu)。軟密封球閥價(jià)格便宜，泄漏率低，僅用于小口徑低壓工況。相對(duì)而言，硬密封球閥價(jià)格高，泄漏率高，但可用于含有固體顆粒的流體，其耐沖刷、耐磨損性能好。LNG 軟密封閥座選可經(jīng)受－ 196 ℃ 的PCTFE( KEL－F) 。軟密封球閥限于小口徑低壓工況。而大口徑高壓球閥應(yīng)選用金屬對(duì)金屬硬密封結(jié)構(gòu)。用于低溫工況的對(duì)焊閥門(mén)執(zhí)行ANSI B16. 34 規(guī)定的特殊等級(jí)要求。超低溫球閥須在閥體上標(biāo)識(shí)介質(zhì)流向。
(3) 蝶閥
超低溫蝶閥要求雙向密封。LNG 蝶閥大多采用對(duì)焊端面。對(duì)焊蝶閥連接強(qiáng)度高( 其承受的載荷至少是法蘭連接閥門(mén)的2 倍) ，連接更為可靠( 減少了潛在的法蘭泄漏) ，維修方便(特別是大口徑蝶閥的閥座、蝶板和閥桿等可以在線更換) ，且維修工作量小，時(shí)間短。超低溫蝶閥須在閥體上標(biāo)識(shí)流向。基于低溫介質(zhì)對(duì)密封性能的影響，蝶閥的密封宜采用雙偏心或三偏心結(jié)構(gòu)，以減輕或消除蝶閥啟閉過(guò)程中密封面的過(guò)度擠壓或刮擦等現(xiàn)象，降低磨損，提高使用壽命。KSB 閥門(mén)閥座密封采用Lip Seal結(jié)構(gòu)，取得很好的密封效果。閥桿密封選用低逸散組合填料，可使填料密封滿(mǎn)足TA－Luft 標(biāo)準(zhǔn)。與本文相關(guān)的論文有：氣體減壓閥在草珊瑚牙膏的應(yīng)用
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