大口径LNG超低温球阀瞬态传热及密封研究

罗起飞

（中国圣博莱阀门有限公司,上海 201500）

天然气是一种清洁能源，其在使用时可减少二氧化硫、二氧化碳、碳氧化合物以及粉尘的排放[1]。而随着天然气开发力度的加强，且其具有高效、环保的特征，正逐渐发展成为第一能源。为了更加方便天然气的使用和运输，一般会将天然气压缩成液态，即液化天然气（LNG）。在此工艺中，大口径LNG超低温阀门是关键性配套设备。大口径LNG超低温阀门的传热和密封性能是安全使用液化天然气的重要环节，因此该设备的传热和密封性能必须得到保证。

1 超低温球阀瞬态传热过程分析

1.1 瞬态温度场分析的有限元理论基础

超低温球阀的内部流体和流道的对流换热是超低温球阀的主要热量来源，当流体进入到阀内时，流体会作为热量与其内部流道进行对流换热，而球阀的外部会与环境温度进行对流换热。当流体刚进入阀内时，该球阀的温度场分析属于无内热源问题的瞬态热分析。阀门内无流体通过时，阀门的各个部位会维持常温状态。而当低温流体突然流入阀内时，阀内壁面的温度会很快地下降，而传热需要一定的时间，阀外壁面的温度依然是常温状态，因此阀门壁内外会形成温差，让阀体受到冷冲击，进而产生非定常的热应力，导致超低温阀门失效。

1.2 超低温球阀正常运行状态瞬态过程分析

运用ANSYS软件对低温流体进入阀内导致球阀温度及应力稳定的变化过程进行计算分析。环境温度设定为22℃，选取瞬态分析模式，滴水板上部与空气发生自然对流。换热系数设定为10W/m2·℃，阀体在滴水板下，外表包装好保温层，保温层的导热系数很小，可将其视作绝热边界。然后设定载荷子步，完成时间为1450s，载荷步为60s，然后运用ANSYS软件对低温流体进入阀内导致球阀温度及应力稳定的变化过程进行计算分析。

结果显示，超低温球阀整体温度达到稳定所需要大约1000秒钟左右的时间，并且其填料函底部的温度始终0℃以上，满足低温工况下的传热要求。而阀芯中间部位、两端流道内部以及阀体底部的应力随时间的变化规律为：前60秒内因为温差大，会产生较大的温差应力，但随阀体内外温差的逐渐减小，约1000秒钟左右时其应力分布会逐渐趋向于稳定的状态。从整体应力变化的情况中可以看出，阀壁厚度变化的地方，容易产生较大的应力，并且容易出现疲劳裂纹。而阀壁较厚且分布均匀的地方热应力会比较小。

2 液化天然气超低温球阀密封研究

2.1 球阀的密封原理研究

球阀的密封原理是通过不同的途径来阻止介质的渗漏。金属软密封是目前广泛采用超低温阀门密封方式，该方式是将金属与非金属材料通过复杂的工艺复合到一起。这种密封形式的优点在于能避免阀门开闭时阀座与球体之间的硬性擦伤，减小密封副之间的摩擦力，提高了密封面的耐磨性和使用寿命，同时也能保证其密封效果。软密封球具有价格偏宜、泄漏率低等优点，但其缺点是只能适用于小口径的低压工作环境。

2.2 密封材料研究

LNG阀门正常的工作温度在-163℃左右，在这样的超低温工作环境下，一般的材料其强度和硬度都会有所升高，塑性和韧性都会大幅度下降，这将会严重影响到阀门使用的安全性，超低温环境下保证阀门安全的材料便会因此而成为阀门领域的重点研究对像。现今低温填料主要有聚四氟乙烯、石棉、浸渍聚四氟乙烯石以及棉绳等。石棉容易出现渗透泄露，聚四氟乙冷脆冷流较为明显，相比之下，聚三氟乙烯（PCTFE）脆裂现象发生少，无渗透情况，不助燃，PCTFE能耐受-196℃的超低温。伴随着温度的降低，分子链的排列会更加紧密，其体积会相应变小，空隙率会逐渐降低，分子链之间的作用会逐渐增强，其硬度、弯曲度以及抗拉强度也会有相应的提高，在液化氦、液化氧以及液化天然气中不容易发生脆裂，也不会发生蠕变。PCTFE材料在超低温下的抗拉强度及弹性模量与PTFE等材料要好很多，是较佳的密封聚合物，在目前密封材料选择和应用中较为广泛。随着门阀材料研究，柔性石墨也逐渐被应用，柔性石墨耐低温、抗腐蚀，具有极佳的密封性能。另外在设计低温门阀的时候，通常温度不高于负70摄氏度时不再采用非金属密封材料。

3 讨论

近年来国际石油价格不断上涨，而石油和煤炭的大量使用对地球生态环境的破坏性也不断增强[2]。天然气的开发和使用可以大大减少煤炭和石油的使用量，进而可改善环境污染的问题。液化天然气是我国的朝阳产业，对建设可持续发展及环境友好型社会起着至关重要的作用。而LNG超低温阀门是保证液化天然气装置安全运行的关键性环节，根据相关报告显示，阀门虽然占LNG产业总投资的比率不高，但其维修费用约为总维修费用的一半以上。LNG超低温阀门被广泛应用于液化天然气生产工厂、接收站、运输装置以及气化站等地方。由于LNG具有易燃易爆并且容易气化等特点，因此LNG超低温阀门必须具有自动泄压、防静电、防火等结构，并需要采用多重密封保证长颈阀盖处填料函的密封性能。 在超低温的环节中，液化天然气阀门阀座泄露等问题时有发生，温度分布的情况、低温热应力和密封性能的好坏对门阀是否能够安全运行有着直接影响。

[1]那丽,吕赟.超低温球阀的结构设计特点及安装要求[J].煤化工,2013,41(02):65-67.

[2]李连翠.大口径LNG超低温球阀瞬态传热及密封研究[D].兰州理工大学,2014.