LNG船液貨系統(tǒng)超低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)過(guò)程，具有特殊的要求。通過(guò)對(duì)超低溫閥門(mén)材料在低溫下的金相結(jié)構(gòu)和應(yīng)力變化進(jìn)行分析，提出材料選用的原則和范圍，明確零部件制造過(guò)程中進(jìn)行深冷處理的重要性；對(duì)超低溫閥門(mén)的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并通過(guò)模擬仿真，得出頸部長(zhǎng)度、頸部壁厚、閥蓋與閥桿間隙、密封力等重要設(shè)計(jì)參數(shù)值的選用原則；介紹了閥門(mén)低溫性能試驗(yàn)裝置系統(tǒng)和試驗(yàn)內(nèi)容及要求。
關(guān)鍵字：LNG船 超低溫閥門(mén) 材料選用 設(shè)計(jì)參數(shù)值
1 概述
隨著石油、化工和燃?xì)庑袠I(yè)的迅速發(fā)展，尤其是液化天然氣（LNG）作為一種新興的能源迅速崛起.資料顯示，目前我國(guó)天然氣消費(fèi)遠(yuǎn)低于世界平均水平，隨著氣候變化和我國(guó)能源轉(zhuǎn)型對(duì)快速發(fā)展天然氣需求的日益增大，預(yù)計(jì)2010年天然氣供需缺口將達(dá)到200億立方米，凈進(jìn)口量比重將達(dá)40%。相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示2010年國(guó)內(nèi)將需要38艘LNG船，到2015年將超過(guò)65艘，我國(guó)對(duì)LNG船的需求將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)黃金期。
然而由于我國(guó)LNG船建造才剛剛起步，設(shè)計(jì)能力尚未形成，因此與LNG船配套的裝備缺乏技術(shù)準(zhǔn)備，作為L(zhǎng)NG船重要配套設(shè)備之一的液貨系統(tǒng)超低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)制造技術(shù)仍被國(guó)外壟斷。目前由滬東中華建造完成的五艘LNG船上的超低溫閥門(mén)全部采用進(jìn)口產(chǎn)品，這使得我國(guó)造船工業(yè)的附加值和核心競(jìng)爭(zhēng)力大大降低。
隨著我國(guó)LNG船舶建造行業(yè)的快速發(fā)展和建造水平的日益提高，設(shè)計(jì)制造具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LNG船用超低溫閥門(mén)顯得更加迫切和需要。
2 LNG船用超低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范
LNG船的設(shè)計(jì)必須符合強(qiáng)制性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《IGCCODE國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》的要求，該標(biāo)準(zhǔn)中第17.20.3節(jié)對(duì)閥門(mén)設(shè)計(jì)作了部分規(guī)定。
對(duì)于超低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際上主要采用《BS6364低溫閥門(mén)》和《MSSSP-134對(duì)低溫閥門(mén)及其閥體/閥蓋加長(zhǎng)體的要求》兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)較全面地規(guī)定了低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)和制造的要點(diǎn)和規(guī)則。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)《JB/T7749低溫閥門(mén)技術(shù)條件》是根據(jù)《BS6364低溫閥門(mén)》轉(zhuǎn)化而成。
3 LNG船用超低溫閥門(mén)材料選擇
3.1 承壓零部件材料選擇
LNG船用超低溫閥門(mén)的工作溫度約-163℃，在此溫度下，金屬材料將發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象，即強(qiáng)度和硬度大幅提高，塑性和韌性大幅降低，影響閥門(mén)的性能和安全。為了防止材料在低溫下的低應(yīng)力脆斷，在設(shè)計(jì)LNG船用超低溫閥門(mén)時(shí)，閥體、閥蓋、閥瓣等承壓零部件大多采用具有面心立方晶格的奧氏體不銹鋼、銅及銅合金、鋁及鋁合金等。由于鋁及鋁合金的硬度不高，密封面的耐磨、耐擦傷性能較差，所以在超低溫閥門(mén)中應(yīng)用極少，銅合金強(qiáng)度較低適用于低壓的閥門(mén)。而常用的奧氏體不銹鋼材料低溫變形小，沒(méi)有明顯的低溫冷脆臨界溫度，在-200℃以下，仍能保持較高的韌性。圖1為316不銹鋼在低溫下的力學(xué)性能。
圖1 316不銹鋼低溫力學(xué)性能
但是奧氏體不銹鋼大部分在常溫下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)溫度降低到相變點(diǎn)（Ms）以下時(shí)，材料中的奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變成馬氏體。對(duì)于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，且由于部分碳原子規(guī)則化排列占據(jù)體心立方點(diǎn)陣位置，使晶格沿C軸方向增長(zhǎng)，從而體積發(fā)生變化引起內(nèi)部應(yīng)力的增加，使原本經(jīng)研磨后達(dá)到密封要求的密封面產(chǎn)生翹曲變形，造成密封失效。
除了低溫相變引起密封面變形失效外，溫變應(yīng)力也會(huì)引起材料的彈性和塑性變形。在低溫狀態(tài)下，由于零件各部分的溫度差或由于不同組織間某些物理性能的差異，引起收縮不均，就產(chǎn)生了溫變應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力低于材料的彈性極限時(shí)，就僅使零件產(chǎn)生可逆性的彈性扭曲，當(dāng)某一部分的溫變應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服極限時(shí)，零件將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的扭曲變形。
因此在選用超低溫閥門(mén)材料時(shí)，首先應(yīng)盡量考慮金相組織穩(wěn)定性較高的材料。一般采用304、304L、316、316L等，其中316L的穩(wěn)定型最好，但價(jià)格較高。其次對(duì)于閥體、閥蓋等奧氏體材料制作的承壓零件必須進(jìn)行低溫處理，以使材料的馬氏體轉(zhuǎn)變和變形得到充分進(jìn)行后再進(jìn)行精加工。低溫處理的溫度應(yīng)低于材料相變溫度（Ms）且低于閥門(mén)實(shí)際工作溫度，處理時(shí)間以2h~4h為宜，如需要可以進(jìn)行多次低溫處理或進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理。
3.2 閥桿材料選擇
低溫閥桿材料一般可采用奧氏體不銹鋼，但其機(jī)械強(qiáng)度較低，所需直徑較大，并且無(wú)法通過(guò)普通熱處理來(lái)提高表面硬度，使得閥桿與填料接合處比較容易相互擦傷，發(fā)生泄漏。因此對(duì)于奧氏體不銹鋼材料制作的閥桿表面必須進(jìn)行鍍硬鉻或氮化處理，以提高表面硬度。
目前，國(guó)外廣泛采用沉淀硬化不銹鋼或鎳鉻合金作為超低溫閥門(mén)閥桿材料。這些材料強(qiáng)度和表面硬度較高，在提高閥桿性能的同時(shí)簡(jiǎn)化了制造工藝。
3.3 密封面材料選擇
常溫下工作的閥門(mén)一般均采用金屬對(duì)非金屬材料密封副，由于非金屬材料的韌性好、彈性大、密封所需的比壓小，因此更加容易得到有效密封。
然而在低溫狀態(tài)下，由于非金屬材料的膨脹系數(shù)較大，其低溫時(shí)的收縮量與金屬密封件、閥體等耦合件的收縮量相差很多，從而致使密封力大幅下降，而產(chǎn)生密封失效。同時(shí)大多數(shù)非金屬材料在超低溫狀態(tài)下會(huì)發(fā)生脆性轉(zhuǎn)變，失去韌性，從而導(dǎo)致冷流和應(yīng)力松弛。因此目前在設(shè)計(jì)超低溫閥門(mén)時(shí)，一般溫度低于-70℃就不再采用非金屬密封副材料，如一定要應(yīng)用非金屬材料，一般也是通過(guò)特殊工藝加工成金屬與非金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)型式。
雖然國(guó)外資料記載的部分非金屬材料在低溫下仍具有較好的機(jī)械性能和密封性能，但是在LNG超低溫閥門(mén)應(yīng)用中，仍然廣泛采用的是金屬對(duì)金屬的密封副材料。對(duì)于采用奧氏體不銹鋼做閥瓣、閥座密封副的，允許不進(jìn)行表面硬化處理，直接使用。但是由于截止類(lèi)閥門(mén)在啟閉過(guò)程中大多都存在密封面之間的摩擦，尤其是球閥的球體與閥座之間在整個(gè)啟閉過(guò)程中始終緊密貼合存在著摩擦，且金屬密封副所要求的密封力較大，因此未經(jīng)表面硬化處理的球體與閥座之間會(huì)擦傷，從而影響球閥的密封。目前國(guó)際上普遍采用先進(jìn)的超音速火焰噴涂技術(shù)（HOFV），在球體和閥座密封表面噴涂WC或鎳鉻合金，使表面硬度達(dá)到HRC68~72左右，然后經(jīng)高精度研磨加工后制成。對(duì)于低溫截止閥、閘閥和蝶閥等，在密封面也需采用等離子噴涂鈷鉻鎢合金材料或氮化等措施進(jìn)行表面硬化處理，以增加密封面的耐磨性和抗擦傷性，提高使用壽命。
3.4 填料及墊片密封材料選擇
由于低溫下橡膠材料的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變及大多數(shù)非金屬材料存在著冷脆和嚴(yán)重冷流現(xiàn)象，因此低溫閥閥桿與閥體間的密封無(wú)法采用密封圈的形式，只能采用填料函密封結(jié)構(gòu)或波紋管密封結(jié)構(gòu)。一般波紋管密封多應(yīng)用于介質(zhì)不允許微量泄漏和不適宜填料的場(chǎng)合，其單層結(jié)構(gòu)的壽命很短，多層結(jié)構(gòu)的成本高，加工困難，所以一般不采用。
填料函密封由于制造加工簡(jiǎn)單，維修更換方便，在實(shí)際應(yīng)用中相當(dāng)普遍。目前低溫填料主要有聚四氟乙烯、石棉、浸漬聚四氟乙烯石棉繩和柔性石墨等，其中由于石棉無(wú)法避免滲透性泄漏，聚四氟乙烯線(xiàn)膨脹系數(shù)很大、冷流現(xiàn)象嚴(yán)重，所以很少采用。而柔性石墨是新發(fā)展起來(lái)的一種優(yōu)良的密封材料，對(duì)氣體、液體均不滲透，壓縮率大于40%，回彈性大于15%，應(yīng)力松弛小于5%，較低的緊固壓力就可達(dá)到密封。它還有自潤(rùn)滑性，用作閥門(mén)填料可有效防止填料與閥桿的磨損，其密封性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的石棉材料，因此是目前最優(yōu)秀的密封材料之一。
閥門(mén)的中法蘭密封和法蘭連接式閥門(mén)的外部連接，一般采用墊片形式.因墊片材料在低溫下會(huì)硬化和降低塑性，因此對(duì)應(yīng)用于超低溫閥門(mén)的墊片要求更高，必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復(fù)原性，這就要求在設(shè)計(jì)超低溫閥門(mén)墊片密封時(shí)必須綜合考慮低溫對(duì)墊片密封性能的影響。
由于低于-100℃的超低溫閥門(mén)的閥體和螺栓材料一般都采用奧氏體不銹鋼，其線(xiàn)膨脹系數(shù)一致，因此選用合適的墊片材料非常重要.理想的低溫密封墊材料，常溫下應(yīng)比較軟，低溫下的回彈性能好，線(xiàn)膨脹系數(shù)小并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。在實(shí)際應(yīng)用中一般采用不銹鋼帶填充石棉或聚四氟乙烯或柔性石墨纏制而成的纏繞式墊片，其中以柔性石墨與不銹鋼繞制而成的纏繞式墊片的密封效果最為理想。
3.5 緊固件材料選擇
超低溫閥門(mén)用螺栓和螺母材料必須注意低溫下的沖擊韌性，當(dāng)工作溫度低于-100℃時(shí)，一般采用奧氏體不銹鋼，但奧氏體不銹鋼的屈服強(qiáng)度較低，容易咬死，所以須經(jīng)冷作硬化，同時(shí)在螺紋部位涂二硫化鉬才可使用.另外，在螺栓螺紋根部容易引起應(yīng)力集中，故應(yīng)將螺栓整體制成螺紋。連接閥體和閥蓋的螺栓在復(fù)合載荷作用下容易產(chǎn)生疲勞破壞，應(yīng)使用扭矩扳手旋緊螺母，以保證螺栓受力均勻。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低溫閥門(mén)的螺栓螺母材料必須符合《ASTMA320/A320M-05a低溫用合金鋼和不銹鋼螺栓材料規(guī)格》和《ASTMA194/A194M-08b高溫和高壓設(shè)備用碳素鋼與合金鋼螺栓和螺母的規(guī)格》的規(guī)定。對(duì)于低溫閥門(mén)用螺栓選用GradeB8Mclass2，螺母選用Grade8M較為合適，該螺栓螺母材料等同國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的A4-70或A4-80。
3.6 制造過(guò)程中對(duì)材料的質(zhì)量控制要求
由于低溫對(duì)材料的機(jī)械性能、應(yīng)力變形等影響較大，因此對(duì)于超低溫閥門(mén)零部件在制造過(guò)程中的材料質(zhì)量控制非常重要.首先與低溫介質(zhì)接觸或受低溫介質(zhì)影響較大的承壓金屬零部件（閥體、閥蓋、閥桿、閥盤(pán)、閥座、緊固件等），必須進(jìn)行射線(xiàn)或超聲波無(wú)損探傷和表面著色無(wú)損探傷，以保證低溫狀態(tài)下的安全可靠。如采用焊接結(jié)構(gòu)的閥體、閥蓋，則焊接處也必須進(jìn)行無(wú)損探傷。對(duì)于承壓閥體、閥蓋和閥盤(pán)等鑄件材料，除了無(wú)損探傷外，還必須進(jìn)行-196℃的低溫韌性沖擊試驗(yàn)，三個(gè)試樣的最小試驗(yàn)值必須大于27J，平均值必須大于34J，保證所用鑄件材料的低溫韌性符合安全使用要求。超低溫閥門(mén)的各零部件在加工過(guò)程中必須進(jìn)行低溫深冷處理，以使材料的相變得以充分進(jìn)行，減小低溫對(duì)材料的變形影響。
4 超低溫閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1 長(zhǎng)頸部設(shè)計(jì)
超低溫閥門(mén)需要采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，其目的是減少外界傳入低溫介質(zhì)中的熱量，保證填料函部位的溫度在0℃以上，使填料可以正常工作，防止因填料函部分過(guò)冷而使處在填料函部位的填料以及閥蓋上部的零件結(jié)霜或冷凍。
長(zhǎng)頸閥蓋的設(shè)計(jì)主要包括頸部長(zhǎng)度尺寸的設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。頸部長(zhǎng)度和材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積及表面散熱系數(shù)、散熱面積等因素有關(guān)，計(jì)算過(guò)程比較繁瑣，一般由實(shí)驗(yàn)法求得，通常情況下可以通過(guò)相關(guān)手冊(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取。長(zhǎng)頸部強(qiáng)度計(jì)算可以采用常用閥體壁厚驗(yàn)算方法確定，同時(shí)在增加一定附加裕量后滿(mǎn)足閥體最小壁厚要求。
除了頸部長(zhǎng)度尺寸對(duì)填料函部位的溫度有影響外，閥蓋壁厚、閥蓋與閥桿間間隙也同樣影響填料函溫度。為此我們對(duì)超低溫閥門(mén)的長(zhǎng)頸閥蓋進(jìn)行了溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬分析（見(jiàn)圖2），對(duì)閥蓋的長(zhǎng)度尺寸、頸部厚度和閥蓋與閥桿間隙等進(jìn)行仿真計(jì)算分析，驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)推薦長(zhǎng)度的合理性，得出頸部厚度和閥蓋與閥桿間隙等參數(shù)值的設(shè)計(jì)原則，結(jié)論如下：
1）《BS6364》和《MSSSP-134》標(biāo)準(zhǔn)中推薦的閥蓋長(zhǎng)頸部尺寸基本能滿(mǎn)足填料函對(duì)溫度的要求；
圖2 超低溫閥門(mén)溫度場(chǎng)分布圖
2）閥蓋長(zhǎng)頸部壁厚對(duì)填料函溫度場(chǎng)分布有一定影響。隨著厚度增加，換熱面積增大同時(shí)熱阻增加，填料函溫度降低，因此在保證閥蓋長(zhǎng)頸部強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，閥蓋壁厚應(yīng)取較小值。（長(zhǎng)頸部壁厚對(duì)填料函溫度場(chǎng)影響曲線(xiàn)見(jiàn)圖3）
圖3 長(zhǎng)頸部壁厚對(duì)填料函溫度場(chǎng)的影響
3）長(zhǎng)頸閥蓋與閥桿間隙對(duì)填料函溫度場(chǎng)分布有一定影響。通過(guò)流場(chǎng)分析，在間隙值小于5mm范圍內(nèi)，夾層內(nèi)溫差引起的最大氣體流動(dòng)速度非常小，其數(shù)量級(jí)在10-8以下，可以認(rèn)為介質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，對(duì)流換熱的影響可以忽略不計(jì)。因此間隙內(nèi)以導(dǎo)熱和輻射傳熱為主，通過(guò)仿真得到間隙對(duì)填料函溫度場(chǎng)的影響曲線(xiàn)（見(jiàn)圖4），即在結(jié)構(gòu)允許范圍內(nèi)，間隙值應(yīng)盡可能取小值。
圖4 長(zhǎng)頸閥蓋與閥桿間隙對(duì)填料函溫度場(chǎng)的影響
4.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
奧氏體不銹鋼在低溫時(shí)會(huì)發(fā)生部分相變，從而產(chǎn)生相變應(yīng)力變形，同時(shí)溫度的變化也會(huì)產(chǎn)生溫變應(yīng)力變形。因此在制造過(guò)程中需對(duì)超低溫閥門(mén)各零部件進(jìn)行低溫深冷處理，以降低溫度對(duì)超低溫閥門(mén)密封性能的影響。同時(shí)在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，也要考慮采取相應(yīng)的措施，保證密封的有效和可靠。
1）在進(jìn)行閘閥、球閥和蝶閥設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用彈性密封結(jié)構(gòu)，以使低溫變形得到部分補(bǔ)償。圖5為國(guó)外部分低溫蝶閥彈性密封結(jié)構(gòu)。
圖5 國(guó)外部分低溫蝶閥彈性密封結(jié)構(gòu)
2）截止閥的密封結(jié)構(gòu)有平面密封、錐面密封和球面密封三種。為了使溫度變化對(duì)截止閥密封性能的影響最小，超低溫截止閥的密封面不能使用平面密封，應(yīng)使用錐面密封或球面密封。
3）基于低溫介質(zhì)對(duì)密封性能的影響，在設(shè)計(jì)蝶閥主密封結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)考慮采用雙偏心或三偏心結(jié)構(gòu)，這樣可以減輕或消除蝶閥啟閉過(guò)程中密封面的過(guò)度擠壓、刮擦等現(xiàn)象，降低磨損，提高使用壽命。
4）由于低溫引起密封面的變形，可能會(huì)發(fā)生常溫下密封良好的閥座在低溫狀態(tài)下發(fā)生泄漏，為此在計(jì)算密封預(yù)緊力時(shí)，在滿(mǎn)足許用比壓的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)增加超低溫閥門(mén)的閥座預(yù)緊力，建議增加30%左右。圖6為球閥密封座密封比壓的仿真應(yīng)力圖，仿真結(jié)果顯示-196℃低溫時(shí)，增加30%的預(yù)緊力才能符合密封要求。
圖6 球閥閥座密封比壓仿真應(yīng)力圖
5）超低溫閥門(mén)的閥桿通常采用填料密封型式。由于填料一般都是非金屬材料，其線(xiàn)膨脹系數(shù)比金屬填料函和閥桿大得多，因此在常溫下裝配的填料，降到一定溫度后，其收縮量大于填料孔和閥桿的收縮量，會(huì)造成預(yù)緊壓力減小引起泄漏。因此在設(shè)計(jì)填料壓蓋壓緊結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用蝶型彈簧墊片進(jìn)行預(yù)緊，使填料在低溫時(shí)的預(yù)緊力能得到連續(xù)補(bǔ)償，從而保證填料密封性能長(zhǎng)期有效。
6）超低溫閥門(mén)的中法蘭一般采用纏繞墊片密封結(jié)構(gòu)，纏繞墊片同填料一樣，在低溫時(shí)，因材料線(xiàn)膨脹系數(shù)的不同，其密封比壓會(huì)有所減小，從而引起低溫介質(zhì)外漏，因此中法蘭緊固螺栓連接處也應(yīng)采用蝶型彈簧墊片進(jìn)行補(bǔ)償。
4.3 防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于LNG介質(zhì)的易燃易爆特性，在設(shè)計(jì)LNG船用超低溫閥門(mén)時(shí)，必須考慮防靜電措施.尤其對(duì)非金屬高分子材料閥座，有集聚靜電的危險(xiǎn)，靜電能引起火花造成燃燒和爆炸。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮在閥桿與閥體之間、閥桿與關(guān)閉件之間設(shè)置導(dǎo)通裝置，從而引出靜電，消除隱患。對(duì)金屬密封的超低溫閥門(mén)，可不設(shè)置導(dǎo)通裝置，但在裝配后應(yīng)測(cè)量閥桿與閥體、關(guān)閉件與閥體之間的電阻值小于設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定的10Ω。圖7為典型防靜電導(dǎo)通裝置的結(jié)構(gòu)。
圖7 典型防靜電導(dǎo)通裝置
4.4 防異常升壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于球閥、閘閥等截止類(lèi)閥門(mén)，關(guān)閉狀態(tài)時(shí)存在著封閉的中腔，隨著環(huán)境溫度的逐漸提高，中腔內(nèi)的低溫液化天然氣將隨著溫度的升高，發(fā)生氣化，體積約增大600倍，壓力會(huì)迅速增加，如壓力無(wú)法排出將造成嚴(yán)重事故，因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮當(dāng)中腔壓力升高時(shí)，閥門(mén)能自動(dòng)將高壓介質(zhì)排放出去。通常采用內(nèi)部泄放和外部泄放兩種方法。內(nèi)部泄放是通過(guò)泄放孔將閥門(mén)中腔與管路進(jìn)口端聯(lián)通，使中腔壓力始終與管路進(jìn)口端平衡；或者進(jìn)口端采用彈性閥座或壓力泄放孔連接中腔和管路進(jìn)口端，當(dāng)中腔壓力達(dá)到設(shè)定的安全泄放壓力時(shí)，中腔介質(zhì)泄放至進(jìn)口管路內(nèi)。外部泄放是在中腔閥體上安裝一泄放閥，當(dāng)中腔壓力達(dá)到泄放壓力時(shí)，中腔介質(zhì)泄放至閥體外或收集到泄放氣瓶中。
5 超低溫閥門(mén)試驗(yàn)研究
5.1 低溫性能試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)
LNG船用超低溫閥門(mén)必須進(jìn)行超低溫狀態(tài)下的密封性能和操作性能的試驗(yàn)等。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，結(jié)合數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了超低溫閥門(mén)低溫性能試驗(yàn)裝置，原理圖如圖8所示。該試驗(yàn)裝置通過(guò)溫度傳感器監(jiān)測(cè)到閥體內(nèi)外、閥蓋、填料函和試驗(yàn)管道內(nèi)氦氣的溫度，以保證試驗(yàn)在所需溫度范圍內(nèi)進(jìn)行；低溫閥的內(nèi)泄漏量檢測(cè)根據(jù)密封性能等級(jí)不同，采用不同量程的流量計(jì)或氣泡檢漏儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；低溫閥外密封由氦質(zhì)譜儀進(jìn)行檢漏；試驗(yàn)介質(zhì)液氮的液位高度通過(guò)液位傳感器監(jiān)測(cè)，具有上下限報(bào)警功能；試驗(yàn)管路上安裝有壓力傳感器，用以采集閥門(mén)進(jìn)出口壓力值。所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)采集卡輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算、顯示和存儲(chǔ)，并由計(jì)算機(jī)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或用戶(hù)要求的泄露量進(jìn)行比對(duì)，作出判據(jù)。
5.2 超低溫閥門(mén)試驗(yàn)項(xiàng)目
超低溫閥門(mén)應(yīng)在常溫下按通用閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)，對(duì)于船用超低溫閥門(mén)還應(yīng)進(jìn)行低溫狀態(tài)下的密封性能試驗(yàn)和操作性能試驗(yàn)，表1為超低溫閥門(mén)低溫性能試驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容及要求。
1、氦氣源；2、調(diào)壓閥；3，5、壓力傳感器；
4，6、精密壓力表；7、酒精計(jì)泡器；8、微流量計(jì)；
9、真空泵；10、數(shù)據(jù)采集電腦；11、數(shù)據(jù)通訊卡；
12、液位傳感器；13、被測(cè)閥門(mén)；14、數(shù)據(jù)采集儀；
15、自增壓供液氮裝置；16、低溫試驗(yàn)槽；17、保溫蓋
圖8 低溫性能試驗(yàn)裝置原理圖
表1 超低溫閥門(mén)低溫性能試驗(yàn)內(nèi)容及要求
6 結(jié)束語(yǔ)
LNG超低溫閥門(mén)由于其使用介質(zhì)分子量小，粘度低，浸透性強(qiáng)，容易泄漏，且其具有易燃易爆的特性，因此在使用時(shí)，對(duì)閥門(mén)密封性能提出了更高、更嚴(yán)格的要求，同時(shí)在安全防爆、防靜電方面也需要采取一定的防范措施.為此在進(jìn)行超低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，除了要遵守閥門(mén)設(shè)計(jì)的一般規(guī)則外，還必須考慮以下幾點(diǎn)：1）根據(jù)LNG介質(zhì)特性和-163℃工作溫度選用合適的相容材料；2）閥門(mén)密封應(yīng)采用柔性結(jié)構(gòu)，使溫度變化所造成的不利影響得到有效補(bǔ)償；3）采用合理的防火、防爆結(jié)構(gòu)和防超壓結(jié)構(gòu)；4）各金屬零部件在加工過(guò)程中必須進(jìn)行深冷工藝處理，以穩(wěn)定材料金相組織，消除低溫變形；5）對(duì)船用超低溫閥門(mén)必須進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)驗(yàn)證。
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