李金城 
在傳統(tǒng)的低溫流體控制領(lǐng)域，成套工藝流程中常用的過(guò)程控制閥門(mén)數(shù)量眾多，其中截止閥、閘閥、球閥為主要通斷閥門(mén)之一，具有流動(dòng)阻力小，可輸送氣液兩相流，閥門(mén)不易堵塞，控制流量大等特點(diǎn)，而閘閥、球閥具有雙向密封，雙向通斷，控制方便等特點(diǎn)，為成套工藝設(shè)備中不可缺少的主要設(shè)備，且一般都采用法蘭或螺紋連接于管道中。由于傳統(tǒng)的閥門(mén)存在控制密封面大，密封面多，存在盲區(qū)，易于泄漏等特點(diǎn)，不能應(yīng)用于低溫易燃易爆流體等領(lǐng)域，尤其-162℃ LNG領(lǐng)域。
首先，以閘閥、球閥為例，傳統(tǒng)的閘閥、球閥打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)都會(huì)形成雙向密封，閥腔內(nèi)都存在盲區(qū)。一般情況下LNG為低溫飽和液體或氣液兩相流，盲區(qū)內(nèi)的LNG在閥門(mén)打開(kāi)或關(guān)閉后，由于存在環(huán)境熱源，盲區(qū)內(nèi)LNG迅速氣化，溫度迅速上升，壓力迅速增大，導(dǎo)致上部多重密封及下部主密封面極易損壞，且閥門(mén)存在爆破等更嚴(yán)重的隱患。為解決這一問(wèn)題，傳統(tǒng)的低溫閘閥、低溫球閥用于LNG時(shí)，通過(guò)在閥體外增加管道，連接盲區(qū)至球閥出口段，導(dǎo)出低溫流體，但這種方法導(dǎo)致盲區(qū)與閥門(mén)一端連通，損壞了閘閥、球閥主密封面雙向密封、雙向截止、雙向控制的優(yōu)勢(shì)，閘閥、球閥只能使用一個(gè)主密封面，不能起到雙向密封的作用。另外，由于管道兩端的LNG均極易氣化，LNG流體易于反向流動(dòng)等原因，要求LNG閘閥、LNG球閥起到雙向截止，雙向密封的作用，故外加導(dǎo)管連通一側(cè)不能有效解決雙向截止的問(wèn)題。同時(shí)，外加導(dǎo)管由于強(qiáng)度等原因易于損壞泄漏，且存在閥體外側(cè)不易于加裝保溫層，閥體外觀(guān)不對(duì)稱(chēng)等缺點(diǎn)。
其次，由于LNG氣化后為易燃易爆氣體，主要成分為CH 4，傳統(tǒng)的低溫閥門(mén)由于存在較多的密封，容易引起CH 4泄漏，如雙向主密封、閥體與閥蓋之間的多重密封、管道法蘭連接密封等，尤其在-162℃低溫工況下，密封墊片及密封面往往直接與LNG接觸，密封材料極易出現(xiàn)低溫脆斷，密封面經(jīng)常出現(xiàn)泄漏，存在很大的安全隱患。此外，由于LNG閥門(mén)上下溫差較大，以截止閥、閘閥為例，閥體與LNG接觸，閥桿旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、上閥體及上部閥桿部件與外部大氣環(huán)境接觸，閥門(mén)兩端存在200℃左右的溫差，導(dǎo)致部件內(nèi)部存在很大的溫差應(yīng)力，尤其在閥桿與上閥體之間。由于LNG閥體一般采用鑄鋼制造，傳熱速率較快，需要較長(zhǎng)的上閥體及閥桿延遲傳熱，以防止旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器等部件溫度太低，不能正常工作，或防止人員凍傷等，所以一般要求閥桿延長(zhǎng)至頂部不結(jié)霜為至。此外，由于閥體采用鑄鋼件，閥桿采用鋼性鍛件，兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，低溫工況下存在較大溫差應(yīng)力，相互接觸后，低溫應(yīng)變?nèi)菀讓?dǎo)致閥體開(kāi)裂，閥桿變形，主密封面破壞，LNG無(wú)法截止等問(wèn)題。所以，傳統(tǒng)的低溫閥門(mén)用于LNG領(lǐng)域時(shí)，要求閥桿較長(zhǎng)以減少局部溫差應(yīng)變，使整個(gè)閥門(mén)體積較大，以適應(yīng)于冷收縮及解決較大溫差應(yīng)力等問(wèn)題。最后，LNG為低溫流體，管道輸送壓力一般低于0.2MPa，處于飽和狀態(tài)或過(guò)熱狀態(tài)，輸送時(shí)外界會(huì)源源不斷通過(guò)閥門(mén)及管道給LNG提供熱量，導(dǎo)致LNG持續(xù)氣化，出現(xiàn)兩相流。兩相流遇到突然截止時(shí)，容易導(dǎo)致管道內(nèi)剩余LNG壓力劇增并過(guò)臨界。當(dāng)壓力迅速超過(guò)臨界壓力4.6MPa，溫度超過(guò)臨界溫度-82.59℃后，會(huì)給整個(gè)輸送系統(tǒng)安全造成極大的安全隱患，所以，一般的LNG閥門(mén)或LNG系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力大于6MPa，使整個(gè)LNG系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度增大，設(shè)備笨重，體積龐大。
LNG系列閥門(mén)涉及低溫流體過(guò)程控制及多相流控制過(guò)程，也是目前設(shè)計(jì)計(jì)算較復(fù)雜、加工制造難度較大的低溫過(guò)程控制裝備，沒(méi)有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，計(jì)算過(guò)程中需要復(fù)核計(jì)算低溫材料強(qiáng)度，選擇氣液兩相流參數(shù)等，隨著工藝流程或物性參數(shù)特點(diǎn)不同而存在較大差別，難以標(biāo)準(zhǔn)化。此外，由于LNG系列閥門(mén)種類(lèi)較多，沒(méi)有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型及理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法用于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算過(guò)程，給LNG系列閥門(mén)的科學(xué)計(jì)算過(guò)程帶來(lái)了障礙。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外主要有美國(guó)泰科公司等開(kāi)發(fā)，可進(jìn)行低溫工況下的LNG過(guò)程控制等，具有控制效果好，集約化程度高，需要閥門(mén)數(shù)量少等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)在LNG液化工廠(chǎng)、LNG接收站及LNG氣化站等方面已有應(yīng)用，一般隨整體工藝成套進(jìn)口。蘭州交通大學(xué)與甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司曾對(duì)-162℃ LNG系列閥門(mén)、-70℃低溫甲醇用系列閥門(mén)、-197℃液氮系列閥門(mén)、-210℃空間飛行器用系列閥門(mén)等進(jìn)行了系列化開(kāi)發(fā)，主要針對(duì)以-162℃ LNG系列板翅式換熱器、-162℃ LNG系列纏繞管式換熱器等為主液化設(shè)備的LNG系統(tǒng)配套用低溫閥門(mén)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，根據(jù)不同溫度及控制領(lǐng)域，研究不同種類(lèi)的低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算方法。本書(shū)針對(duì)-162℃ LNG系列閥門(mén)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究開(kāi)發(fā)了LNG截止閥、LNG閘閥、LNG蝶閥、LNG止回閥、LNG球閥、LNG安全閥等多種類(lèi)型的LNG控制閥門(mén)，已具備產(chǎn)業(yè)化設(shè)計(jì)及加工制造能力。
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