羅起飛（中國(guó)圣博萊閥門有限公司,上海 201500）

LNG超低溫閥門的設(shè)計(jì)及材料低溫物性的研究

羅起飛
（中國(guó)圣博萊閥門有限公司,上海 201500）

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展以及工業(yè)技術(shù)的革新，液化天然氣已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們生活中，但是液化天然氣的存儲(chǔ)運(yùn)輸是一個(gè)比較難的問(wèn)題，液化天然氣沸點(diǎn)-162°C，在如此低溫條件下對(duì)于閥門的設(shè)計(jì)方式是否合理以及材料是否恰當(dāng)就顯得尤為重要，因?yàn)橐话愕牟牧显谌绱说蜏貤l件下表現(xiàn)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或易脆。本文將對(duì)LNG超低溫閥門設(shè)計(jì)方法進(jìn)行討論，以及選取存儲(chǔ)LNG的材料在低溫時(shí)候的物性進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：LNG；超低溫閥門；材料低溫物性

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新，人們生活質(zhì)量的提高，如今天然氣尤其是LNG已經(jīng)深入到許許多多人們的生活中，就算在農(nóng)村，很多農(nóng)民也漸漸的接受了天然氣。到現(xiàn)在為止，液化天然氣每年都保持著較高的增長(zhǎng)比例，在全球液化天然氣也是主要的使用能源之一，我國(guó)也將其作為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)工作。液化天然氣是一種高效、使用方便且相對(duì)很安全的一種清潔能源，其主要成分是甲烷，此外還含有少量的乙烷、丙烷等[1]。液化天然氣的來(lái)源方式主要是通過(guò)氣田的開(kāi)采，但是直接開(kāi)采出來(lái)的還并未是我們所說(shuō)的液化天然氣，它還需要經(jīng)過(guò)脫水、重?zé)N類分離、酸性氣體分離以及在-162°C進(jìn)行液化，最后才能形成我們所說(shuō)的液化天然氣。由于液化天然氣的沸點(diǎn)是如此的低溫，因此如何選擇低溫材料來(lái)保存就需要非常謹(jǐn)慎，其次存儲(chǔ)液化天然氣的閥門也同樣謹(jǐn)慎對(duì)待，閥門的可靠、安全可以防止液化天然氣的泄露以及因泄露導(dǎo)致爆炸。

1 超低溫閥門的設(shè)計(jì)

閥門是一種在液體運(yùn)輸系統(tǒng)中不可或缺的部件，其主要的作用是對(duì)運(yùn)輸?shù)囊后w進(jìn)行引導(dǎo)流動(dòng)方向、調(diào)節(jié)液體流動(dòng)速度、控制是否液體流動(dòng)、運(yùn)輸中防止液體泄漏等等。LNG超低溫閥門是一種特殊材質(zhì)制成的閥門，普通的閥門主要考慮房腐蝕，但是對(duì)于LNG超低溫閥門則需要在考慮防腐蝕的前提外，還需要考慮-162°C低溫的影響，一般材質(zhì)在這種低溫下很難保持好韌性以及好的穩(wěn)定性，在如此低的溫度下一般的材質(zhì)穩(wěn)定性不夠容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致閥門出現(xiàn)縫隙，出現(xiàn)液化天然氣泄漏的情況。

液化天然氣超低溫閥門設(shè)計(jì)首要需要考慮的是其氣密性，即是說(shuō)如何設(shè)計(jì)可以有效的減少LNG的泄露，首先為了減少裝置之間的耦合性因素，對(duì)于閥門我們需要其整體成型的鍛造，從而減少零件之間的耦合性；其次，閥門與容器之間必然會(huì)存在銜接處，對(duì)于銜接處的焊接需考慮到以后長(zhǎng)期低溫對(duì)焊接處的影響，因此在選擇焊接工藝的時(shí)候需要特殊考慮。等離子堆焊技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展迅猛的一種焊接技術(shù)，早在50年代時(shí)候其就已經(jīng)被廣泛應(yīng)用[2]，近年來(lái)，科學(xué)家已經(jīng)將該技術(shù)推廣到多種材料領(lǐng)域，包括陶瓷材料、復(fù)合材料等。等離子堆焊技術(shù)以等離子弧作為焊接時(shí)候所需提供的熱源，然后將焊料和母料表面熔化，從而使焊料在母料表明形成一種冶金結(jié)合物，這種冶金結(jié)合物具有很好的耐磨性、抗腐蝕性以及很強(qiáng)的硬度等特性。

閥門的設(shè)計(jì)方式上通常有閘閥、球閥、蝶閥、截止閥、止回閥等等，不同的類型有著不同的特點(diǎn)。閘閥，在超低溫條件下使用的閘閥是一種單向密封的閥門，需要在閥體上表明介質(zhì)的流向。球閥，在超低溫條件下通常采用頂裝式結(jié)構(gòu)，其密封性較差，通常將其使用于帶顆粒物體的流體。蝶閥，在超低溫條件下需要雙向密封，閥門密封性、可靠性較好。截止閥，在超低溫條件下采用錐面或者球面密封，密封性較好。止回閥，在超低溫條件下采用旋啟式或軸式。主要考慮低溫時(shí)的密封性以及可靠性，本文采用截止閥。

2 材料低溫物性研究

液化天然氣的沸點(diǎn)為-162°C，所以LNG閥門的正常溫度應(yīng)該也是-162°C，在如此的低溫條件下，一般的金屬材料將會(huì)表現(xiàn)出一種冷脆的現(xiàn)象，這也就以為著若使用日常生活中所見(jiàn)到的閥門材料，那么其安全性、氣密性、穩(wěn)定性等都將成為很大的疑惑點(diǎn)。因此，為了防止這種冷脆的現(xiàn)象，那么材料的選擇上我們就應(yīng)該放棄常用的金屬材料，尋找耐低溫的材料。奧氏不銹鋼是一種具有良好韌性、強(qiáng)度、焊接性且耐腐蝕的面心立方結(jié)構(gòu)材料，且其在溫度上下浮動(dòng)中有著較低的膨脹系數(shù)，在接近-200°C時(shí)候也不表現(xiàn)出冷脆現(xiàn)象，其主要含量有Cr和Ni，兩者含量占三分之一左右，其余還含有C、Τi、N、S、P等，常見(jiàn)的奧氏不銹鋼有ΑISI304，ΑISI304L，ΑISI316，ΑISI316L等，據(jù)有關(guān)資料顯示ΑISI316L的穩(wěn)定性最佳，常用做超低溫材料，因此在選擇閥門材料時(shí)候選擇ΑISI316L作為制作LNG超低溫閥門的主要材料。

此外，三氟氯乙烯的聚合物PCΤFE也是一種常用的超低溫材料，它屬于一種熱塑性樹(shù)脂，具有較好的硬度、耐磨且在超低溫時(shí)候不易冷脆、穩(wěn)定性高、可靠性好的特點(diǎn)。它的耐低溫條件可以達(dá)到接近絕對(duì)零度，在滲透率上具有最低的滲透率，可以說(shuō)機(jī)會(huì)不滲透任何氣體。膨脹石墨也是一種耐低溫、抗腐蝕且密封性較好的一種材料，在超低溫度條件下其具有較小的熱膨率、滲透率以及較好的彈性，因此在設(shè)計(jì)超低溫閥門時(shí)候其常常作為填料，因?yàn)槠湟栽鰪?qiáng)閥門的氣密性。

3 討論

在如今這個(gè)社會(huì)生活中，人們的生活基本上離不開(kāi)天然氣特別是液化天然氣，這自然而然的就會(huì)帶動(dòng)液化天然氣工廠的發(fā)展，因此越來(lái)越多的液化天然氣需要運(yùn)輸?shù)礁鱾€(gè)接收站和氣化站，因此LNG超低溫閥門的需求量也就越來(lái)越大，其安全性、可靠性以及穩(wěn)定性等因素就顯得尤為重要，所以對(duì)LNG超低溫閥門的設(shè)計(jì)以及耐低溫材料的選取上就需要我們引起足夠的重視。需要保證在超低溫條件下閥門能正常工作，且不能發(fā)生泄漏現(xiàn)象以及閥門裝置安全可靠。本文通過(guò)分析研究，得出低溫材料選取奧氏不銹鋼作為L(zhǎng)NG超低溫閥門的主要材料，采用截止閥設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)閥門，通過(guò)等離子堆焊技術(shù)對(duì)閥門進(jìn)行焊接。取材上以超低溫耐磨、耐腐蝕、不易冷脆等因素為主，閥門的設(shè)計(jì)方式也采取在超低溫條件下具有較高的密封性以及安全可靠性為主，焊接技術(shù)同業(yè)也以密封性、硬度高等特點(diǎn)為主。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫奇.LNG超低溫閥門的設(shè)計(jì)及材料低溫物性的研究[D].大連理工大學(xué),2013.

[2]侯晉峰,葉盛來(lái).LNG超低溫蝶閥的研制[J].通用機(jī)械,2011(05):53-55.