上海申弘閥門有限公司
LNG超低溫截止閥設計參數如下所示。 公稱通徑：8" 工作溫度：-196℃ 工作壓力：1.6MPa 工作介質：液化天然氣 安全等級：常規級 主體材料：AISI304 天然氣經脫水、精制和冷卻，在－ 163 ℃低溫下壓縮成液化天然氣( Liquefied Natural Gas － LNG) ，節省儲存和運輸空間，降低儲運成本。因此，LNG具有天然氣的易燃易爆性。閥門對LNG 裝置安全可靠地運行具有極為重要的作用。雖然閥門占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用的50% 以上。根據LNG 設備事故案例分析，有多起案例因閥門故障和失效造成LNG 泄漏，使整個裝置停機甚至燃燒爆炸。LNG 閥門LNG 裝置上使用的超低溫閥門主要設計標準有JB /T 7749、GB /T 24925、BS 6364、MSS SP－134和MESC SPE77 /200 等。閥門材料LNG 閥門正常工作溫度為約－ 163 ℃，在此溫度下，金屬材料將發生低溫冷脆現象，即強度和硬度升高，塑性和韌性大幅下降，這會嚴重影響閥門的安全性。為防止材料在低溫下的低應力脆斷，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 穩定性。奧氏體不銹鋼具有優良的強度、韌性、耐腐蝕性和焊接性，線膨脹系數低。但是奧氏體不銹鋼中S 和P 等雜質會降低材料的強度及低溫沖擊韌性，應嚴格控制其含量。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,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、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。閥體、閥蓋、閥瓣、閥座和閥桿等部件必須進行低溫深冷處理，使奧氏體轉變成馬氏體和變形充分后再進行精加工，以降低溫度對超低溫閥門密封性能的影響。低溫處理溫度應低于材料相變溫度且低于閥門實際工作溫度。處理時間1 ～ 2 h，然后取出自然冷卻到常溫，重復循環2 次。
2.1 超低溫截止閥密封比壓計算
根據ASME B16.34表2-2.1A，常溫壓力PN=1.9MPa 根據《閥門設計計算手冊》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，fM=0.3 密封面的必須比壓：
密封面上的介質靜壓力：
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超低溫閥門的設計及材料低溫物性的研究
]q[—許用密封比壓，]q[＝250Mpa
結論：MFq=9.13Mpa＜q＝114.65＜]q[＝250Mpa 滿足條件
2.2 超低溫截止閥閥體壁厚計算
根據洪勉成等《閥門設計計算手冊》P25表3-1
式中：][L?—閥體材料許用拉應力，查表][L?＝84Mpa DN—閥體中腔大內徑，DN＝250mm
C—腐蝕余量，按照沈陽閥門研究所《閥門設計》表7-5取C=5 閥體實際壁厚SB＝12.7mm
結論：SB＝12.7mm＞SB’＝7.48mm 滿足條件
2.3 超低溫截止閥閥桿分析
2.3.1 閥桿軸向力計算
閥桿為升降桿，介質從閥瓣下方流入，大軸向力在關閉的瞬時產生，根據沈陽閥門研究所《閥門設計》P179公式計算閥桿軸向大力：
QMJ—密封面上介質靜壓力，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《閥門設計》P152進行計算 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，Z=5 PN—常溫壓力，PN=1.9Mpa f—填料和閥桿的摩擦系數，取f=0.1 QJ′ —關閉時，防轉結構中的摩擦力
R—計算半徑
fJ—防轉結構中的摩擦系數，取0.2 RF—關閉后閥桿螺紋處摩擦的半徑 2.3.2 閥桿總扭矩計算
介質從閥瓣下方流入，大扭矩在關閉的瞬時產生，根據《閥門設計》P181
公式進行計算：
M—關閉時閥桿扭矩，可按下式計算 'FL
M='FZQ·RFM =76626.24×3.6=275854.46N·mm
式中：RFM—關閉時閥桿螺紋的摩擦半徑，查《閥門設計》P180表9-4，
RFM=3.6mm
FJM'—閥桿螺紋凸肩處的摩擦扭矩，可按下式計算
2''FJFJFZFJdfQM???
(2.9) =76626.24×0.01×71.5/2=27393.88N·mm
fFJ—摩擦系數，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）閥桿壓應力
y?=AQFZ?=76626.24/791.33=96.83MPa
(2.10) ][y?—閥桿材料許用壓應力，根據《閥門設計計算手冊》表4-7查得][y?=170MPa 結論: y?=96.83MPa＜][y?= 170MPa 滿足條件
（3）扭轉剪應力
上部螺桿受軸向力與力矩作用，下部閥桿只受軸向力，因此扭轉剪應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剪應力，根據《閥門設計計算手冊》表4-7查得
][N?=87MPa
結論： N?=42.89MPa＜][N?=87MPa 滿足條件 （4）合成應力2.5 超低溫截止閥閥桿穩定性分析
（1）閥桿柔度（細長比）λ
根據《閥門設計》P153閥桿的強度，計算閥桿柔度λ：
λ=4094051.044????FFdl??=47.94 (2.14) 式中：
lF—閥桿計算長度，閥桿螺母螺紋總長中點到閥桿端部的長度，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相關的系數，由《閥門設計》P153表7-19查：
取μλ = 0.51
（2）閥桿的穩定性校核
由《閥門設計》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 滿足*種情況屬于低細長比小柔度壓桿，不進行穩定性驗算。
結論：低細長比 閥桿穩定
2.6 超低溫截止閥閥瓣應力校核
閥瓣大載荷是在關閉的終，這時閥瓣受到閥桿力、介質作用力和密封面間摩擦力以及閥座支反力的作用，應對危險斷面的彎應力進行校核。根據《閥門設計》P187公式，閥瓣圖形如圖2.1所示，對于介質從下方流入的升降桿閥瓣，彎曲應力計算如下：
當介質從閥瓣下面引入時，彎曲應力2.11 中法蘭螺栓扭緊力矩
計算螺母扭緊力矩的計算公式為(《機械設計手冊》P6-15)
T＝KFd/n
(2.27) ＝0.2?285809.12?19/12 ＝90506.22N·mm ＝90.51N·m
式中：
F―預緊力(墊片壓緊狀況下)，F＝Q＝285809.12N d―螺紋大徑，d＝19mm K―扭轉系數，取K＝0.2 N－螺栓個數，n＝12
特殊要求
(1) 設計與工藝
防止LNG 泄漏非常重要。為減少泄漏點，閥體要求鍛造( 或鑄造) 整體成型。端法蘭采用對焊連接，慎用法蘭連接。為保證對焊端面焊后低溫機械性能，閥體應選用低碳奧氏體不銹鋼304L 或316L。對于閥門部件的強度焊接，應實施焊接工藝評定。
奧氏體不銹鋼在焊接熱影響區由于碳化物析出和馬氏體形成，會引起低溫脆性，焊后進行固溶處理。閥門部件原材料質量要嚴格控制。與LNG 直接或間接接觸的部件必須進行滲透、超聲波或射線等無損檢測，還須深冷處理及－ 196℃ 低溫沖擊試驗。所用奧氏體不銹鋼要求進行固溶、退火熱處理供貨。
低溫閥門的閥桿應設計為防吹出結構。低溫工況頻繁操作的閥門，其內件應能避免引起卡阻、咬合和擦傷等。低溫閥閥體在滿足強度要求時，對不同壁厚的閥體連接應逐漸過渡，避免壁厚突變引起應力集中。壁厚設計不當會引起焊接裂紋。
低溫閥各部件在溫度和壓力的交變載荷作用下不應出現明顯的彈性塑性變形，因此，在閥門設計過程中，除了對閥體、閥蓋、閥桿和閥瓣進行常規的強度計算外，還應采用有限元應力分析和抗震分析來確保閥門的可靠性。
(2) 加長閥蓋
低溫閘閥、截止閥、球閥和蝶閥的閥蓋應設計成便于保冷的加長結構( 長頸閥蓋) 。閥蓋的長頸部分可采用與本體材質相同的無縫鋼管對焊到閥蓋和填料箱上，焊后應進行熱處理以消除應力。加長閥蓋可使填料函底部的工作溫度高于0℃。如果填料函結冰，不但影響閥桿的正常操作，而且也會因閥桿的上下運動劃傷填料，造成密封失效。閥桿與長頸部分的間隙應按盡可能小的對流熱損失設計，但間隙對填料函溫度影響很小，閥蓋長度和閥徑厚度是影響填料函溫度的主要因素。加長閥蓋下部焊接滴水盤，可防止冷凝水進入保冷層，避免或減少保溫層下腐蝕( CUI) 。
(3) 防異常升壓
當球閥和閘閥關閉時，閥門中腔殘留的LNG 因周圍環境的相對高溫引起的熱傳遞會快速升溫氣化、壓力急劇升高。過高的氣壓可能導致閥桿密封泄漏、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內部或外部泄放。內部泄放是指閥門進口端采用彈性泄放閥座或在閘板( 圖1) 及球體( 圖2) 上開設泄壓孔連通中腔和管道進口端。一旦異常升壓，中腔介質泄放至進口管道，可保持閥門中腔與管道進口段壓力平衡。外部泄放是在中腔閥體外安裝減壓閥，當中腔壓力達到泄放壓力時，中腔介質通過減壓閥進入泄放氣收集系統。通常，對于DN≤300 的低溫閘閥，在閘板( 球體) 上開設平衡孔。DN300 以上閥門在閥體外設旁路減壓閥。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
(1) 閘閥
標準低溫閘閥是單向密封的，其彈性閘板上開有3 mm 的泄放孔，連通閥腔與上游管道。閥腔異常升壓時，可通過泄放孔與上游管道達到壓力平衡。在閥內部，上游介質壓力將彈性閘板緊壓在下游閥座密封圈上，實現下游低壓側密封。雙向密封閘閥是在閥腔外設置減壓閥，而不必在閘板上開孔。外部泄壓使閘閥實現上下游雙向密封。超低溫閘閥須在閥體上標識介質流向。
(2) 球閥
超低溫球閥采用頂裝式結構。軟密封球閥價格便宜，泄漏率低，僅用于小口徑低壓工況。相對而言，硬密封球閥價格高，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選用金屬對金屬硬密封結構。用于低溫工況的對焊閥門執行ANSI B16. 34 規定的特殊等級要求。超低溫球閥須在閥體上標識介質流向。
(3) 蝶閥
超低溫蝶閥要求雙向密封。LNG 蝶閥大多采用對焊端面。對焊蝶閥連接強度高( 其承受的載荷至少是法蘭連接閥門的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，時間短。超低溫蝶閥須在閥體上標識流向。基于低溫介質對密封性能的影響，蝶閥的密封宜采用雙偏心或三偏心結構，以減輕或消除蝶閥啟閉過程中密封面的過度擠壓或刮擦等現象，降低磨損，提高使用壽命。KSB 閥門閥座密封采用Lip Seal結構，取得很好的密封效果。閥桿密封選用低逸散組合填料，可使填料密封滿足TA－Luft 標準。與本文相關的論文有：氣體減壓閥在草珊瑚牙膏的應用
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