- 自貢泰科閥門對LNG球閥的設(shè)計
- 作者：自貢泰科高壓閥門制造有限公司（原自貢市第一高壓閥門廠） 時間：2014-11-13 點擊： 次
自貢泰科閥門對LNG球閥的設(shè)計
液化天然氣（LNG）是一種高效率的清潔能源。這種能源符合目前經(jīng)濟社會發(fā)展對低能耗、高環(huán)保等諸多方面的要求。從目前我國大量引進的LNG處理裝置中可以看到，越來越多的超低溫頂裝式固定球閥被大量使用。但是，在該領(lǐng)域中所使用的超低溫頂裝式固定球閥大多由國外品牌的自貢閥門廠家所壟斷，所以對超低溫頂裝式固定球閥進行研究是很有必要的。
在LNG管道中，任何對LNG的夾持，一旦其體積膨脹，被夾持部分的管道壓力會急劇升高，這是非常危險的。同樣，在LNG管道上使用的球閥內(nèi)部也不能對LNG產(chǎn)生夾持作用。若球閥內(nèi)部對LNG有夾持作用，那么當(dāng)被夾持的LNG的體積異常膨脹時，閥腔內(nèi)的壓力也會異常升高，從而使閥門變得很危險。這就是研究LNG用頂裝式固定球閥閥腔自泄壓能力的必要性所在。在此，以某規(guī)格的頂裝式固定球閥為例，來探討其閥腔自動泄壓的方法。
1 頂裝式固定球閥的主要結(jié)構(gòu)特點
（1）結(jié)構(gòu)一
上游閥座為單活塞效應(yīng)，并按照API6D規(guī)范的要求，具備當(dāng)閥腔壓力大于或等于設(shè)計壓力的1.33倍時，自動向閥門的上游流道泄壓的能力；下游閥座為雙活塞效應(yīng)閥座，以提高閥門的密封能力（結(jié)構(gòu)如圖1）。
圖1 閥門結(jié)構(gòu)圖一
（2）結(jié)構(gòu)二
上、下游閥座均為單活塞效應(yīng)的自泄壓閥座。當(dāng)閥腔壓力大于或等于設(shè)計壓力的1.1倍時，上游閥座自動向閥門的上游流道泄放壓力；當(dāng)閥腔壓力大于或等于設(shè)計壓力的1.33倍時，在上游閥座泄壓的同時，下游閥座也自動向閥門的下游流道泄放壓力，以提高閥腔的自泄壓能力。
這種設(shè)計有兩種考慮：
（1）當(dāng)閥腔壓力為設(shè)計壓力1.1～1.33倍之間時，視為這是閥腔的正常升壓，由閥門的上游閥座泄壓；當(dāng)閥腔的壓力大于設(shè)計壓力的1.33倍時，視之為閥腔的異常升壓，這時，下游閥座也被推開，并向下游流道泄壓，從而提高了閥腔超壓自動泄放的能力，增加閥門的安全性；
（2）若因某種未知的原因，上游閥座的自動泄壓能力喪失，下游閥座仍能起到泄放閥腔壓力的作用。
結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 閥門結(jié)構(gòu)圖二
2 自泄壓能力和密封性能的計算分析
設(shè)計要求：不管什么結(jié)構(gòu)的閥門，在滿足閥腔自泄壓要求的同時，必須滿足閥門正常工作的密封性能要求。
2.1 結(jié)構(gòu)一
2.1.1 圖示符號的定義和取值（見圖3）
圖3 閥座結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)一）
DJH1：上游閥座活塞直徑，340mm；
DJH2：下游閥座活塞外徑，358mm；
DJH3：下游閥座活塞內(nèi)徑，314.4mm；
DMN1：上游閥座密封面內(nèi)徑，316mm；
DMN2：下游閥座密封面內(nèi)徑，321mm；
DMW1：上游閥座密封面外徑，322mm；
DMW2：下游閥座密封面外徑，335.3mm。
2.1.2 上游閥座的閥腔自泄壓能力（m）計算
上游閥座自泄壓的條件為：
式中：m為上游閥座自泄壓時，閥腔壓力對設(shè)計壓力的倍數(shù)；P為設(shè)計壓力，15MPa；N1為上游閥座預(yù)緊彈簧數(shù)量，設(shè)計確定為16；f為單個彈簧的工作力，設(shè)計確定為125N，并已驗證在-196℃下，彈簧無變形。
由此可得m?1.33。說明如果在上、下游閥座密封能力良好前提下，本結(jié)構(gòu)的閥門具有良好閥腔自泄壓的能力，并滿足API6D的要求。
2.1.3 閥門的密封性能計算
以下計算均針對閥門的全關(guān)位置進行。
（1）空載時，彈簧比壓Ps計算
①上游閥座Ps1：由上可知，滿足上游閥座自泄壓要求的預(yù)緊彈簧數(shù)量為16個，且每個彈簧的工作力為125N，所以：
②保證下游閥座Ps2和上游閥座Ps1相等時，可推算得下游閥座預(yù)緊彈簧數(shù)量N2＝39，在此，取N2＝40。
（2）閥腔零壓力時，閥座的低壓氣密封比壓PL計算（試驗壓力0.6MPa）（出廠前的低壓密封試驗）
①上游閥座PL1：
密封OK。
②下游閥座PL2：
密封OK。
（3）閥腔零壓力時，閥座的高壓密封比壓PH計算（試驗壓力1.1P）（出廠前的高壓密封試驗）
①上游閥座PH1：
密封OK。
②下游閥座PH2：
密封OK。
（4）閥腔0.6MPa，上、下游流道無壓力時，下游閥座的密封能力PL3（出廠前的低壓密封試驗）
密封OK。
（5）上游流道壓力15MPa，下游流道壓力15MPa，閥腔壓力15MPa的密封比壓PH'計算（閥門實際工況）
①上游閥座PH1'：
密封OK。
②下游閥座PH2'：
密封OK。
（6）上游流道壓力15MPa，下游流道壓力0MPa，閥腔壓力15MPa的密封比壓PH'計算（閥門實際工況）。
①上游閥座
PH1'=15.66MPa，密封OK。
②下游閥座
PH2'=22.4MPa，密封OK。
（7）上游流道壓力15MPa，下游流道壓力為0～15MPa的中間值，閥腔壓力15MPa的密封比壓PH'的計算和分析（閥門實際工況）。
下游閥座結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 下游閥座結(jié)構(gòu)（雙活塞效應(yīng)）
①上游閥座H1'：
PH1'=15.66MPa，密封OK。
②下游閥座PH2'：
PH2'=22.4MPa，密封OK。
（8）分析
下游流道的壓力在0～15MPa時，這個壓力實際上是不參與下游閥座的密封。因為，當(dāng)閥腔壓力為15MPa，下游流道壓力也為15MPa時，下游閥座活塞環(huán)是處于一種平衡狀態(tài)，沒有推力的傳遞。當(dāng)下游流道壓力小于15MPa時，下游閥座活塞環(huán)是被推向下游方向的。也就是說，下游流道的壓力對下游閥座的密封是不起作用的，只要閥腔內(nèi)有10～15MPa壓力存在（此條件很好實現(xiàn)，只要閥門在管道的正常工況下，進行一次開關(guān)閥門的操作即可），下游閥座就能密封良好。
而當(dāng)閥腔中的壓力大于20MPa（設(shè)計壓力的1.33倍）時，上游閥座就會把異常升高的那部分壓力自動泄放到閥門的上游流道中去。從而保證閥腔中壓力始終處于安全的狀態(tài)。
2.2 結(jié)構(gòu)二（圖5）
2.2.1 參數(shù)符號的定義和取值
圖5 閥座結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)二）
DJH1：上游閥座活塞直徑，347mm；
DJH2：下游閥座活塞外徑，338.5mm；
DMN1：上游閥座密封面內(nèi)徑，329mm；
DMN2：下游閥座密封面內(nèi)徑，316mm；
DMW1：上游閥座密封面外徑，321mm；
DMW2：下游閥座密封面外徑，337.55mm。
2.2.2 閥座的自泄壓能力（m）計算
（1）上游閥座的自泄壓能力（m1）計算上游閥座自泄壓的條件：
式中：m1為上游閥座自泄壓時，閥腔壓力對設(shè)計壓力的倍數(shù)。
由此推算得m1?1.19。
說明如果在上、下游閥座密封能力良好前提下，本結(jié)構(gòu)的上游閥座可以實現(xiàn)當(dāng)閥腔壓力是設(shè)計壓力的1.1倍時，泄放閥腔壓力，滿足對該結(jié)構(gòu)設(shè)定的要求。
（2）下游游閥座的自泄壓能力（m2）計算下游閥座自泄壓的條件：
式中：m2為下游閥座自泄壓時，閥腔壓力對設(shè)計壓力的倍數(shù)。P'為在緊急狀態(tài)下，閥門在關(guān)閉位置時下游流道中的壓力，由于閥門及管道絕熱層的存在，下游流道中的壓力會很快降至0MPa；N2為下游閥座預(yù)緊彈簧數(shù)量，設(shè)計確定為80。
由此得m2?1.32。說明如果在上、下游閥座密封能力良好前提下，本結(jié)構(gòu)的下游閥座可以實現(xiàn)當(dāng)閥腔壓力是設(shè)計壓力的1.33倍時，泄放閥腔壓力，滿足對該結(jié)構(gòu)設(shè)定的要求。
2.2.3 閥門的密封性能計算
以下計算均針對閥門的全關(guān)位置進行。
（1）空載時，彈簧比壓Ps
①上游閥座Ps1（16個彈簧，每個彈簧的工作力為125N）：
PS1=0.80MPa
②下游閥座PS2（80個彈簧，每個彈簧的工作力為125N）：
PS2=2.23MPa
（2）閥腔腔零壓力時，上、下游流道都為0.6MPa的低壓氣密封比壓PL計算（出廠前的低壓密封試驗）
①上游閥座PL1=4.67MPa，密封OK。
②下游閥座PL2=2.90MPa，密封OK。
（3）閥腔零壓力時，上、下游流道都是16.5MPa的高壓密封比壓PH計算（出廠前的高壓密封試驗）
①上游閥座PH1=107.3MPa，密封OK。
②下游閥座PH2=20.6MPa，密封OK。
（4）上游流道壓力、下游流道壓力和閥腔壓力在不同情況下的密封比壓PH'計算結(jié)果和閥門在實際使用工況時的密封性能分析如表1所示。
通過表1可知，結(jié)構(gòu)二的閥門在滿足上游閥座1.1倍泄壓和下游閥座1.33倍泄壓的前提條件下，按API6D或API598進行出廠前的密封試驗的性能是很好的。但是，在實際的使用過程中，這種結(jié)構(gòu)的閥門的使用效果是這樣的：
（1）當(dāng)上游閥座密封良好時，下游閥座會有瞬間的微漏，達到平衡狀態(tài)后，閥門穩(wěn)定工作；
（2）當(dāng)上游閥座受損而泄漏，且閥門下游壓力較低（＜13MPa）時，閥門就會始終處于泄漏的狀態(tài)。
表1 實際使用工況時的密封性能分析表
在閥門的設(shè)計中，閥門的結(jié)構(gòu)不是一成不變的。應(yīng)該根據(jù)實際使用要求來進行設(shè)計。在強調(diào)閥門密封性能的場合，可以采用結(jié)構(gòu)一的閥門；在強調(diào)閥門自泄壓，且對密封性能要求不高的場合，可以采用結(jié)構(gòu)二的閥門。
在LNG管線中，一味地追求閥腔的自泄壓能力，勢必會以犧牲閥門的密封性能為代價。而在LNG工況下，球閥的密封性能是更重要的性能指標(biāo)。閥腔自動泄壓是閥門應(yīng)該具備的一種應(yīng)急性能。所以，筆者認為，結(jié)構(gòu)一的閥門，更適合LNG工況的特點和要求。特別要指出的是：本文僅針對LNG用球閥的閥座結(jié)構(gòu)進行探討，并不具備普遍的指導(dǎo)意義。
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液化天然氣（LNG）是一種高效率的清潔能源。這種能源符合目前經(jīng)濟社會發(fā)展對低能耗、高環(huán)保等諸多方面的要求。從目前我國大量引進的LNG處理裝置中可以看到，越來越多的超低溫頂裝式固定球閥被大量使用。但是，在該領(lǐng)域中所使用的超低溫頂裝式固定球閥大多由國外品牌的自貢閥門廠家所壟斷，所以對超低溫頂裝式固定球閥進行研究是很有必要的。
在LNG管道中，任何對LNG的夾持，一旦其體積膨脹，被夾持部分的管道壓力會急劇升高，這是非常危險的。同樣，在LNG管道上使用的球閥內(nèi)部也不能對LNG產(chǎn)生夾持作用。若球閥內(nèi)部對LNG有夾持作用，那么當(dāng)被夾持的LNG的體積異常膨脹時，閥腔內(nèi)的壓力也會異常升高，從而使閥門變得很危險。這就是研究LNG用頂裝式固定球閥閥腔自泄壓能力的必要性所在。在此，以某規(guī)格的頂裝式固定球閥為例，來探討其閥腔自動泄壓的方法。
1 頂裝式固定球閥的主要結(jié)構(gòu)特點
（1）結(jié)構(gòu)一
上游閥座為單活塞效應(yīng)，并按照API6D規(guī)范的要求，具備當(dāng)閥腔壓力大于或等于設(shè)計壓力的1.33倍時，自動向閥門的上游流道泄壓的能力；下游閥座為雙活塞效應(yīng)閥座，以提高閥門的密封能力（結(jié)構(gòu)如圖1）。
圖1 閥門結(jié)構(gòu)圖一
（2）結(jié)構(gòu)二
上、下游閥座均為單活塞效應(yīng)的自泄壓閥座。當(dāng)閥腔壓力大于或等于設(shè)計壓力的1.1倍時，上游閥座自動向閥門的上游流道泄放壓力；當(dāng)閥腔壓力大于或等于設(shè)計壓力的1.33倍時，在上游閥座泄壓的同時，下游閥座也自動向閥門的下游流道泄放壓力，以提高閥腔的自泄壓能力。
這種設(shè)計有兩種考慮：
（1）當(dāng)閥腔壓力為設(shè)計壓力1.1～1.33倍之間時，視為這是閥腔的正常升壓，由閥門的上游閥座泄壓；當(dāng)閥腔的壓力大于設(shè)計壓力的1.33倍時，視之為閥腔的異常升壓，這時，下游閥座也被推開，并向下游流道泄壓，從而提高了閥腔超壓自動泄放的能力，增加閥門的安全性；
（2）若因某種未知的原因，上游閥座的自動泄壓能力喪失，下游閥座仍能起到泄放閥腔壓力的作用。
結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 閥門結(jié)構(gòu)圖二
2 自泄壓能力和密封性能的計算分析
設(shè)計要求：不管什么結(jié)構(gòu)的閥門，在滿足閥腔自泄壓要求的同時，必須滿足閥門正常工作的密封性能要求。
2.1 結(jié)構(gòu)一
2.1.1 圖示符號的定義和取值（見圖3）
圖3 閥座結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)一）
DJH1：上游閥座活塞直徑，340mm；
DJH2：下游閥座活塞外徑，358mm；
DJH3：下游閥座活塞內(nèi)徑，314.4mm；
DMN1：上游閥座密封面內(nèi)徑，316mm；
DMN2：下游閥座密封面內(nèi)徑，321mm；
DMW1：上游閥座密封面外徑，322mm；
DMW2：下游閥座密封面外徑，335.3mm。
2.1.2 上游閥座的閥腔自泄壓能力（m）計算
上游閥座自泄壓的條件為：
式中：m為上游閥座自泄壓時，閥腔壓力對設(shè)計壓力的倍數(shù)；P為設(shè)計壓力，15MPa；N1為上游閥座預(yù)緊彈簧數(shù)量，設(shè)計確定為16；f為單個彈簧的工作力，設(shè)計確定為125N，并已驗證在-196℃下，彈簧無變形。
由此可得m?1.33。說明如果在上、下游閥座密封能力良好前提下，本結(jié)構(gòu)的閥門具有良好閥腔自泄壓的能力，并滿足API6D的要求。
2.1.3 閥門的密封性能計算
以下計算均針對閥門的全關(guān)位置進行。
（1）空載時，彈簧比壓Ps計算
①上游閥座Ps1：由上可知，滿足上游閥座自泄壓要求的預(yù)緊彈簧數(shù)量為16個，且每個彈簧的工作力為125N，所以：
②保證下游閥座Ps2和上游閥座Ps1相等時，可推算得下游閥座預(yù)緊彈簧數(shù)量N2＝39，在此，取N2＝40。
（2）閥腔零壓力時，閥座的低壓氣密封比壓PL計算（試驗壓力0.6MPa）（出廠前的低壓密封試驗）
①上游閥座PL1：
密封OK。
②下游閥座PL2：
密封OK。
（3）閥腔零壓力時，閥座的高壓密封比壓PH計算（試驗壓力1.1P）（出廠前的高壓密封試驗）
①上游閥座PH1：
密封OK。
②下游閥座PH2：
密封OK。
（4）閥腔0.6MPa，上、下游流道無壓力時，下游閥座的密封能力PL3（出廠前的低壓密封試驗）
密封OK。
（5）上游流道壓力15MPa，下游流道壓力15MPa，閥腔壓力15MPa的密封比壓PH'計算（閥門實際工況）
①上游閥座PH1'：
密封OK。
②下游閥座PH2'：
密封OK。
（6）上游流道壓力15MPa，下游流道壓力0MPa，閥腔壓力15MPa的密封比壓PH'計算（閥門實際工況）。
①上游閥座
PH1'=15.66MPa，密封OK。
②下游閥座
PH2'=22.4MPa，密封OK。
（7）上游流道壓力15MPa，下游流道壓力為0～15MPa的中間值，閥腔壓力15MPa的密封比壓PH'的計算和分析（閥門實際工況）。
下游閥座結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 下游閥座結(jié)構(gòu)（雙活塞效應(yīng)）
①上游閥座H1'：
PH1'=15.66MPa，密封OK。
②下游閥座PH2'：
PH2'=22.4MPa，密封OK。
（8）分析
下游流道的壓力在0～15MPa時，這個壓力實際上是不參與下游閥座的密封。因為，當(dāng)閥腔壓力為15MPa，下游流道壓力也為15MPa時，下游閥座活塞環(huán)是處于一種平衡狀態(tài)，沒有推力的傳遞。當(dāng)下游流道壓力小于15MPa時，下游閥座活塞環(huán)是被推向下游方向的。也就是說，下游流道的壓力對下游閥座的密封是不起作用的，只要閥腔內(nèi)有10～15MPa壓力存在（此條件很好實現(xiàn)，只要閥門在管道的正常工況下，進行一次開關(guān)閥門的操作即可），下游閥座就能密封良好。
而當(dāng)閥腔中的壓力大于20MPa（設(shè)計壓力的1.33倍）時，上游閥座就會把異常升高的那部分壓力自動泄放到閥門的上游流道中去。從而保證閥腔中壓力始終處于安全的狀態(tài)。
2.2 結(jié)構(gòu)二（圖5）
2.2.1 參數(shù)符號的定義和取值
圖5 閥座結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)二）
DJH1：上游閥座活塞直徑，347mm；
DJH2：下游閥座活塞外徑，338.5mm；
DMN1：上游閥座密封面內(nèi)徑，329mm；
DMN2：下游閥座密封面內(nèi)徑，316mm；
DMW1：上游閥座密封面外徑，321mm；
DMW2：下游閥座密封面外徑，337.55mm。
2.2.2 閥座的自泄壓能力（m）計算
（1）上游閥座的自泄壓能力（m1）計算上游閥座自泄壓的條件：
式中：m1為上游閥座自泄壓時，閥腔壓力對設(shè)計壓力的倍數(shù)。
由此推算得m1?1.19。
說明如果在上、下游閥座密封能力良好前提下，本結(jié)構(gòu)的上游閥座可以實現(xiàn)當(dāng)閥腔壓力是設(shè)計壓力的1.1倍時，泄放閥腔壓力，滿足對該結(jié)構(gòu)設(shè)定的要求。
（2）下游游閥座的自泄壓能力（m2）計算下游閥座自泄壓的條件：
式中：m2為下游閥座自泄壓時，閥腔壓力對設(shè)計壓力的倍數(shù)。P'為在緊急狀態(tài)下，閥門在關(guān)閉位置時下游流道中的壓力，由于閥門及管道絕熱層的存在，下游流道中的壓力會很快降至0MPa；N2為下游閥座預(yù)緊彈簧數(shù)量，設(shè)計確定為80。
由此得m2?1.32。說明如果在上、下游閥座密封能力良好前提下，本結(jié)構(gòu)的下游閥座可以實現(xiàn)當(dāng)閥腔壓力是設(shè)計壓力的1.33倍時，泄放閥腔壓力，滿足對該結(jié)構(gòu)設(shè)定的要求。
2.2.3 閥門的密封性能計算
以下計算均針對閥門的全關(guān)位置進行。
（1）空載時，彈簧比壓Ps
①上游閥座Ps1（16個彈簧，每個彈簧的工作力為125N）：
PS1=0.80MPa
②下游閥座PS2（80個彈簧，每個彈簧的工作力為125N）：
PS2=2.23MPa
（2）閥腔腔零壓力時，上、下游流道都為0.6MPa的低壓氣密封比壓PL計算（出廠前的低壓密封試驗）
①上游閥座PL1=4.67MPa，密封OK。
②下游閥座PL2=2.90MPa，密封OK。
（3）閥腔零壓力時，上、下游流道都是16.5MPa的高壓密封比壓PH計算（出廠前的高壓密封試驗）
①上游閥座PH1=107.3MPa，密封OK。
②下游閥座PH2=20.6MPa，密封OK。
（4）上游流道壓力、下游流道壓力和閥腔壓力在不同情況下的密封比壓PH'計算結(jié)果和閥門在實際使用工況時的密封性能分析如表1所示。
通過表1可知，結(jié)構(gòu)二的閥門在滿足上游閥座1.1倍泄壓和下游閥座1.33倍泄壓的前提條件下，按API6D或API598進行出廠前的密封試驗的性能是很好的。但是，在實際的使用過程中，這種結(jié)構(gòu)的閥門的使用效果是這樣的：
（1）當(dāng)上游閥座密封良好時，下游閥座會有瞬間的微漏，達到平衡狀態(tài)后，閥門穩(wěn)定工作；
（2）當(dāng)上游閥座受損而泄漏，且閥門下游壓力較低（＜13MPa）時，閥門就會始終處于泄漏的狀態(tài)。
表1 實際使用工況時的密封性能分析表
在閥門的設(shè)計中，閥門的結(jié)構(gòu)不是一成不變的。應(yīng)該根據(jù)實際使用要求來進行設(shè)計。在強調(diào)閥門密封性能的場合，可以采用結(jié)構(gòu)一的閥門；在強調(diào)閥門自泄壓，且對密封性能要求不高的場合，可以采用結(jié)構(gòu)二的閥門。
在LNG管線中，一味地追求閥腔的自泄壓能力，勢必會以犧牲閥門的密封性能為代價。而在LNG工況下，球閥的密封性能是更重要的性能指標(biāo)。閥腔自動泄壓是閥門應(yīng)該具備的一種應(yīng)急性能。所以，筆者認為，結(jié)構(gòu)一的閥門，更適合LNG工況的特點和要求。特別要指出的是：本文僅針對LNG用球閥的閥座結(jié)構(gòu)進行探討，并不具備普遍的指導(dǎo)意義。
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