低温阀门的基本性能优化

2023-06-24 理论教育版权反馈

【摘要】：图5-47 阀门常用金属材料的温度范围图5-48 阀门常用非金属材料的温度范围理想的低温阀座密封材料特性是低温延展性好并且硬度低、收缩率小。在LNG的低温工况下,不锈钢材料的收缩率约为千分之三,管道在冷、热交变的情况下会产生很大的应力,严重时会造成管道和阀门破裂,所以阀体在受介质压力和温度交变产生的应力及管道安装引起的附加应力的总载荷下,应能保持足够的强度。

1.防止零部件低温破坏

低温技术是19世纪末在液态空气工业上发展起来的,随着科学技术的进步,低温技术在近30年中得到了迅速发展和广泛应用。低温阀门是低温工程的关键设备,要满足低温使用条件,首先要从材料特性研究、应用入手。

碳钢和低合金钢在低温条件下容易产生低温脆性破坏。低温脆性断裂是在没有预兆的情况下突然发生的,危害性很大,为防止材料低温脆断事故发生,同时考虑经济性,在选材时必须根据不同介质温度选择相应的材料。

国内外通过长期对大量的材料进行低温特性研究和试验和应用实践,对适用于不同温度等级的材料制定了相关标准,规定了铸、锻件的化学成分、力学性能、热处理、物理性能、焊补、焊后热处理、无损检验、晶间腐蚀试验(奥氏体钢)、冲击韧性等技术要求。并明确了铸、锻件的尺寸和外观质量要求。

低温阀门的材料按工作温度及材料性能进行选择,还应符合下列要求:

1)在工作温度下,材料不应产生低温脆性破坏,同时还应考虑与介质的相容性等要求。

2)在工作温度下,材料的组织结构应稳定,以防止材料相变而引起体积变化。

3)采用焊接结构时,必须考虑到材料焊接性能及低温下焊缝的可靠性。

4)低温阀门内件材料的选择应能避免在频繁操作情况下引起的卡阻、咬合和擦伤等现象,并考虑材料的电化学腐蚀,其耐腐蚀性能不低于阀体。

阀门常用金属材料的温度范围如图5-47所示。阀门常用非金属材料的温度范围如图5_-48所示。

图5-47 阀门常用金属材料的温度范围

图5-48 阀门常用非金属材料的温度范围

理想的低温阀座密封材料特性是低温延展性好并且硬度低、收缩率小。但从现有材料,也仅有PCTFE(聚三氟乙烯)和超高分子UPE(聚乙烯)能够在-196℃下长期使用。PCT_- FE的收缩率在所有的高分子材料中是最小的。在密封件使用上注意:在满足结构空间的条件下尽量选用较大截面的密封圈,并还应注重不同温度工况中密封槽粗糙度的选择,超低温工况下,建议密封槽粗糙度选择粗糙度为0.2以上。

2.防止低温外泄漏

阀门泄漏分为内泄漏和外泄漏,基于LNG的易燃易爆性特点,外泄漏更危险。防止LNG低温泄漏是设计之重点。为了减少外泄漏,阀体和阀盖应锻造(或铸造)整体成型。

阀体与阀盖连接部位和阀杆密封是可能外泄漏部位。为保证低温密封性能,法兰连接部位采用缠绕垫加唇形密封,阀杆密封通常采用双重密封或三重密封,使用带有中间隔离环的双重填料(耐低温和高温的混合材料)和附加弹性补偿装置。弹性补偿装置(如碟形弹簧垫片)可使填料在低温冷收缩工况条件下的预紧力能得到连续补偿,保证填料密封性能长期有效。

防低温外泄漏通常采用保护填料的长颈阀盖,可避开外部热源的作用使阀盖、阀杆部分保持在0℃以上,以防止阀杆密封部位结冰损坏。阀杆加长部分可按SHELL SPE77/200《低温和超低温阀门的要求》,也可按BS6364《低温阀门》标准规定的阀门填料压套加长部分的最小长度,加长结构如图5-49所示。

当阀门要求带隔离滴盘。隔离滴盘需要焊接或紧固到阀盖延伸段并靠近阀盖法兰,但应保持一定距离以方便阀体阀盖螺栓的拆除。紧固类型在上部应有螺栓连接使能容易地调整阀盖和隔离滴盘之间的间隙,隔离滴盘与阀盖延伸应密封避免结露进入被隔离的区域。

3.安全性

图5-49 低温阀门加长杆结构

1)防火。对非金属阀座(软阀座)阀门、阀体与阀盖连接部位、阀杆密封等,应采用双重密封耐火结构设计,并符合API607或API6FA防火试验要求。

2)防静电。阀门应设计成防静电结构,以保证阀门的导电性。在设计时应该保证阀体和阀杆具有导电连贯性,放电路径最大电阻不应该超过10Ω。

3)防异常升压。闸阀在关闭状态、球阀在全开和全关状态,阀门中腔充满LNG,一旦环境温度升高引起的热传递会导致阀腔内LNG快速升温气化,其体积将急剧膨胀,因此可在阀门中腔产生很高的压力。如果设计时没有考虑合理的预防措施,过高的气压可能导致阀杆密封泄漏、中法兰密封泄漏、阀体紧固件失效,甚至会产生气体爆炸的危险。因此,低温闸阀和球阀必须采用预防异常升压结构。

低温阀门的超压泄放只能采用阀门内部泄放方式。常规阀门外部泄放是在阀体中腔外安装泄压阀,当中腔压力达到设定的泄放压力时,中腔介质通过泄压阀排出,但LNG低温阀门禁止把天然气排放到大气环境,一般不采用外部泄放。内部泄放要求应根据阀门种类和同类阀门不同结构而定,低温球阀在阀门全关或全开状态时,均为中腔保压状态。

4)阀杆防吹出结构。

5)防止管道应力损坏。在LNG的低温(-162℃)工况下,不锈钢材料的收缩率约为千分之三,管道在冷、热交变的情况下会产生很大的应力,严重时会造成管道和阀门破裂,所以阀体在受介质压力和温度交变产生的应力及管道安装引起的附加应力的总载荷下,应能保持足够的强度。

6)防爆性能。低温阀防爆要求包括阀门非金属密封件的防爆和爆炸性环境对电动执行机构及气动执行机构的电气元件防爆要求。

低温阀门的基本性能优化

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