上海申弘閥門有限公司
3.1 長頸閥蓋結(jié)構(gòu)
LNG的溫度為-162℃，溫度特別低，而閥門的填料使用溫度不低于0℃，所以LNG超低溫閥門需要采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，填料位于閥蓋的上端，可以使填料遠離閥體中的介質(zhì)，保證填料函處的溫度在0℃以上。同時可以避免閥桿和閥蓋上端的零部件凍結(jié)，使其處于正常工作的狀態(tài)。整個閥門裝配體的模擬溫度場如圖3.2所示，閥蓋底部的溫度在0℃以下。所以必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)使填料部位遠離閥蓋底部，如圖3.2溫度場所示填料位置的溫度高于0℃。
概述隨著天然氣液化技術(shù)的快速發(fā)展,液化天然氣(LNG)的消費量目前正以每年10%的速度增長,已成為一種新興的節(jié)能和清潔能源。LNG的主要成分為甲烷、少量乙烷、丙烷以及其他成分,其沸點為-162℃,熔點為-182℃,燃點為650℃。LNG的分子量小,粘度低,滲透性強,易于泄漏和擴散,在其生產(chǎn)、接收、運輸和氣化等裝置中,超低溫閥門對其系統(tǒng)的安全可靠運行具有極為重要的作用。目前,LNG關鍵設備用的閥門需要通過技術(shù)攻關和研發(fā)超低溫球閥、截止閥、止回閥及蝶閥等,以解決產(chǎn)品依賴于進口和盡快國產(chǎn)化的技術(shù)難題。2閥門特性2.1材料選擇(1)奧氏體不銹鋼超低溫閥門材料應具有足夠的韌性和組織穩(wěn)定性,以保證在低溫下不會因相變導致變形繼而影響閥門的密封性。通常情況下體心立方結(jié)構(gòu)有明顯的低溫脆性,而面心立方結(jié)構(gòu)有很好的低溫韌塑性。選用面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體不銹鋼304、304L、316、316L作為閥體、閥座、閥瓣及球體等關鍵零部件的材料,這些材料沒有低溫冷脆臨界溫度,在低溫條件下,仍能保持較高的韌塑性。在27～-269℃時,材料304、304L、316隨著溫度的降低,其抗拉強度和屈服強度都增高。其中材料316L
3.2 滴水板結(jié)構(gòu)
22位和閥桿上部的零件的溫度在0℃以上。圖3.1和圖3.2分別是有滴水板和無滴水板整個閥體的溫度場模擬圖，通過對比我們可以看出，有滴水板的閥門閥蓋上端的溫度明顯升高。由于延長閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹蝕影響在線維修。
3.3 泄壓部件的設計
LNG氣化后體積擴大為原來的600多倍，異常升壓的問題普遍存在。當閥門關閉后，殘留在閥體腔內(nèi)的LNG從周圍環(huán)境中大量吸收熱量迅速氣化，在閥體內(nèi)產(chǎn)生很高的壓強，從而破壞球體及閥座組件，使閥門不能正常工作。所以在入口端加泄壓孔，以保證腔體和入口管道的連通防止腔體異常升壓。圖3.3箭頭所指的位置就是LNG超低溫球閥的泄壓孔。 圖3.3 LNG超低溫球閥的泄壓孔Fig3.3 The pressure relief hole of cryogenic ball valve
3.4 防靜電結(jié)構(gòu)設計
圖3.4 球閥的防靜電結(jié)構(gòu)
Fig3.4 The anti-static structure of cryogenic ball valve LNG具有易燃易爆的特性，所以在設計LNG超低溫閥門時，必須要設計防靜電結(jié)構(gòu)。LNG球閥閥座的材料是PCTFE，這種材料聚集靜電的隱患非常大，靜電引起的火花很有可能造成管道和閥體中的LNG燃燒甚至爆炸后果不堪設想。所以在設計閥門時，必須設計導通裝置連接閥桿和閥體，閥桿和關閉件從而導出靜電，消除安全隱患[11]。圖3.4就是球體與閥桿連接處設置的防靜電結(jié)構(gòu)。
3.5 密封結(jié)構(gòu)設計
為保證閥門在低溫下密封的安全可靠性，在設計密封結(jié)構(gòu)時，也要采用特殊的密封結(jié)構(gòu)。
在低溫下采用單獨填料進行密封容易泄漏，我們通過唇式密封圈、柔性石墨填料、O型圈3重密封來保證填料處的密封，采用碟簧組預緊式結(jié)構(gòu)，補償溫度波動變化時螺栓變形量的變化，同時防止長時間工作后填料等密封件的松弛。密封結(jié)構(gòu)圖如圖3.5所示 圖3.5 三重密封結(jié)構(gòu) Fig3.5 Triple seal structure
3.6 防火結(jié)構(gòu)設計
閥體和閥蓋連接部位采用唇式密封圈和石墨纏繞墊片的雙道密封結(jié)構(gòu)如圖3.6所示，閥桿密封部位也采用唇式密封圈、石墨填料組和O形圈多重密封結(jié)構(gòu)。當火災發(fā)生時，唇式密封圈熔化失效，此時中腔石墨纏繞墊片和閥桿石墨填料組起主要密封作用，防止發(fā)生外漏。球體和閥座采用金屬閥座和非金屬密封環(huán)雙重密封結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。當火災發(fā)生時，如果非金屬密封環(huán)熔化失效，則二道防火密封的金屬閥座在彈簧預緊力作用下，將閥座推向球體而阻斷管線流體防止內(nèi)漏。利于倒密封結(jié)構(gòu)密封，實現(xiàn)在線更換填料等密封件。
3.8 閥桿組合
閥桿設置帶有彈簧蓄能密封圈，彈簧蓄能密封圈隨閥腔介質(zhì)壓力的增高而緊貼密封溝槽，由此形成密封，從而確保閥桿的密封效果。設置閥桿防飛結(jié)構(gòu)，當閥腔異常升壓時，閥桿不會被沖出。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(diào)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(diào)節(jié)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。采用碟簧組預緊式壓緊填料，補償溫度波動變化及長時間工作后所引起填料等密封件的松弛，結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。
263.9 球閥整體結(jié)構(gòu)
所設計的LNG超低溫球閥的三維裝配圖如同圖3.10所示閥門關鍵材料低溫物性分析的實驗方法??
為了研究閥門主體材料AISI304和密封面堆焊Ni40和Ni60兩種硬質(zhì)合金在低溫下的性能、低溫下尺寸的改變大小的規(guī)律、微觀組織的變化、低溫下堆焊層是否開裂，進行如下試驗：
深冷處理前后母材到堆焊層的硬度梯度測試； AISI304常溫和低溫下的沖擊和拉伸試驗；
母材+堆焊層在常溫和低溫下不同位置開坡口的沖擊試驗； 深冷處理前后母材和堆焊層金相分析； 深冷處理前后母材和堆焊層掃描電鏡分析； 深冷處理前后母材和堆焊層XRD物相分析； 沖擊試樣斷口宏觀和微觀分析；
4.1 實驗材料
本試驗中所選用的AISI304奧氏體不銹鋼、Ni-Cr-B-Si系的Ni40、Ni60硬質(zhì)合金粉末的化學成分如表4.1和表4.2所示。
表4.1 AISI304化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%) Tab. 4.1 Composition of AISI304 (w/%)4.2 AISI304表面等離子堆焊硬質(zhì)合金 采用等離子堆焊機在AISI304奧氏體不銹鋼表面分別堆焊Ni40和Ni60合金粉末。等離子堆焊工藝參數(shù)如表4.3所示。試驗過程中采用的等離子堆焊設備如圖4.1所示。其基本原理如圖4.2所示。等離子堆焊設備包括轉(zhuǎn)移弧電源和非轉(zhuǎn)移弧電源。陰極和噴嘴之間產(chǎn)生的電弧叫做非轉(zhuǎn)移弧，陰極和工件之間產(chǎn)生的電弧叫做轉(zhuǎn)移弧[12]。轉(zhuǎn)弧是堆焊的主要熱源[44]
。等離子堆焊設備還包括電氣控制系統(tǒng)、擺動機、工作氣供給系統(tǒng)、送粉器、焊槍、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，工件移動機等結(jié)構(gòu)。等離子堆焊過程如下：
（1）非轉(zhuǎn)移弧引弧，陰極和噴嘴之間產(chǎn)生電弧，借助非轉(zhuǎn)移弧在陰極和工件之間引燃轉(zhuǎn)移弧。
（2）關閉非轉(zhuǎn)移弧，利用轉(zhuǎn)移弧產(chǎn)生的熱量熔化合金粉末和母材表面，使合金熔敷在母材表面。
（3）調(diào)整母材和焊槍的相對移動速度、焊槍的擺動幅度、送粉速度控制堆焊層的厚度和寬度。由于等離子弧能量集中、熱輸入大，所以在堆焊過程中容易產(chǎn)生較大的殘余應力，進而容易形成裂紋，因此在焊前將母材在400℃下保溫2h，焊后將堆焊試件放在蛭石粉中緩冷至室溫，降低熔池的冷卻速度，減少試件的殘余應力，進而降低堆焊試件的裂紋形成傾向[12]。圖4.2 等離子堆焊原理示意圖 Fig. 4.2 Schematic diagram of PTAW
4.3 沖擊試驗
材料在低溫下服役重要的性能指標就是低溫沖擊韌性[45]，通過常溫和低溫下的沖擊試驗確定AISI304及AISI304表面堆焊硬質(zhì)合金在不同溫度下的沖擊韌性是非常有必要的。把AISI304加工成長度為55mm，橫截面為10mmX10mm的方型截面的標準沖擊試樣，在試樣長度中間開V型缺口。將表面堆焊Ni40和Ni60硬質(zhì)合金的AISI304按圖4.3加工成沖擊試樣，堆焊層和母材厚度各為5mm，表面堆焊Ni40硬質(zhì)合金的試件分別在母材側(cè)、堆焊層側(cè)、堆焊層和母材搭接側(cè)開V型坡口。表面堆焊Ni60硬質(zhì)合金的試件在母材側(cè)開V型坡口。V型缺口夾角45°，其深度為2mm，底部曲率半徑為0.25mm。各組試樣分別在常溫、-60℃、-100℃、-140℃和-196℃溫度下進行夏比V型坡口沖擊試驗。試驗中所采用的低溫沖擊試驗設備如圖4.4所示。將沖擊試樣放入低溫沖擊試驗機配套的低溫箱中，吹入液氮，試樣溫度持續(xù)下降，冷卻至溫度后，在此溫度下保溫20分鐘，然后通過自動推送裝置，依次將沖擊試樣從低溫箱中推入到試樣臺上，進行沖擊試驗。為了研究AISI304在常溫和低溫下的塑性和強度的變化，通過常溫和-196℃的拉伸試驗測量AISI304在室溫及低溫下的屈服強度、抗拉強度斷后伸長率和斷面收縮率。
常溫拉伸試驗的試樣、試驗方法等*按GB228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法進行，試樣尺寸為φ5mm標準短試樣。 低溫拉伸試驗的試樣、試驗方法等按GB/T13239-2006金屬材料低溫拉伸試驗方法進行，試樣尺寸為φ5mm短試樣。低溫拉伸試驗設備如圖4.5所示。(A) 為配套的液氮冷卻裝置，(B)為低溫環(huán)境箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，環(huán)境箱里為拉伸試樣，鐵絲狀為熱電偶。(C)左側(cè)為環(huán)境箱外觀，右側(cè)為溫度控制器(顯示為-81)℃，環(huán)境箱背部白色管為液氮輸送管因為已經(jīng)結(jié)霜，所以為白色。試驗過程中將試樣裝夾到低溫拉伸試驗機上，向低溫箱中通入液氮，達到設定溫度后，保持20分鐘，進行拉伸試驗。
4.5 顯微硬度測試
使用型號為MVC-1000B維氏硬度計測量AISI304+Ni40和AISI304+Ni60從母材到堆焊層在深冷處理前及深冷處理后的硬度梯度，總結(jié)深冷處理對材料硬度的影響。MVC-1000B維氏硬度計使用載荷為1000g，加載時間為15s。首先在常溫下對各試樣進行硬度測試，再對各試樣進行深冷處理，深冷處理的溫度分別是-60℃、-100℃、-140℃和-196℃，深冷處理時間為2小時。深冷處理后再對各試樣進行硬度測試，對比深冷處理前后的硬度變化。
4.6 低溫對材料形狀尺寸的影響
1）把AISI304加工成φ10×22mm的試樣，分別測量其在常溫和-196℃下的直徑和長度，計算AISI304在-196℃下長度方向和直徑方向的尺寸改變率。
2）把AISI304加工成φ50×20mm的閥瓣模擬試樣，表面研磨平整，光潔度達到▽10，經(jīng)過-196℃兩小時的深冷處理后在室溫下用測微計測量表面的不平整度。測量完成后再將其表面研磨平整，光潔度達到▽10再對其進行-196℃兩小時的深冷處理之后再測量其表面的不平整度。
4.7 顯微組織觀察
為了研究深冷處理對材料微觀組織的影響，在深冷處理前后利用
Nikon-MA100金相顯微鏡和ZEISS EVO 18掃描電子顯微鏡對AISI304和堆焊層組織Ni40和Ni60進行原位觀察，用MVC-1000B維氏硬度計在試樣上留下壓痕做標記，對比深冷處理前后的壓痕附近金相照片和掃描照片。試樣制備過程如下所示：
1）利用線切割切取試樣；按照如圖4.6示意圖從堆焊層中間區(qū)域切取試樣，避免在起弧和收弧處切取試樣。試樣尺寸為15mm×15mm×15mm，試樣截面如圖4.7所示。
圖4.6 切取試樣位置示意圖 Fig. 4.6 Schematic of sample location
圖4.7 試樣尺寸 Fig. 4.7 The sample size
2）用200~1500#砂紙打磨試樣； 3）利用拋光劑進行拋光；
4）用化學試劑腐蝕試樣，AISI304所選用的腐蝕劑為HCl:HNO3=3:1；Ni40和Ni60采用電解腐蝕，拋光液: 10g草酸+100mLH2O；電壓：6V；時間：10s。
4.8 XRD物相分析
深冷前后為了進一步研究深冷處理對AISI304、Ni40、Ni60硬質(zhì)合金物相的影響，利用型號為島津XRD-6000的X-射線衍射儀在深冷處理前后分別進行物相分析，對比深冷處理前后材料物相的變化。試樣制備過程如下所示：
1）利用線切割在母材和堆焊層分別切取試樣尺寸為10mm×4mm×4mm
2）用200~600#砂紙打磨試樣使其表面平整；
3）超聲波清洗。
4.9 沖擊試樣斷口分析
要研究低溫鋼低溫下的斷裂性能，對斷口分析的研究*。對沖擊后的試樣進行宏觀和微觀斷口分析，可以確定材料在不同溫度下的斷裂類型。裂紋的萌生與擴展是材料斷裂的兩個過程，裂紋形成功和與裂紋擴展功共同構(gòu)成了夏比按照如圖4.6示意圖從堆焊層中間區(qū)域切取試樣，避免在起弧和收弧處切取試樣。試樣尺寸為15mm×15mm×15mm，試樣截面如圖4.7所示。
圖4.6 切取試樣位置示意圖 Fig. 4.6 Schematic of sample location 圖4.7 試樣尺寸 Fig. 4.7 The sample size
2）用200~1500#砂紙打磨試樣；
3）利用拋光劑進行拋光；
4）用化學試劑腐蝕試樣，AISI304所選用的腐蝕劑為HCl:HNO3=3:1；Ni40和Ni60采用電解腐蝕，拋光液: 10g草酸+100mLH2O；電壓：6V；時間：10s。
4.8 XRD物相分析
深冷前后為了進一步研究深冷處理對AISI304、Ni40、Ni60硬質(zhì)合金物相的影響，利用型號為島津XRD-6000的X-射線衍射儀在深冷處理前后分別進行物相分析，對比深冷處理前后材料物相的變化。試樣制備過程如下所示：
1）利用線切割在母材和堆焊層分別切取試樣尺寸為10mm×4mm×4mm
2）用200~600#砂紙打磨試樣使其表面平整；
3）超聲波清洗。
4.9 沖擊試樣斷口分析
要研究低溫鋼低溫下的斷裂性能，對斷口分析的研究*。對沖擊后的試樣進行宏觀和微觀斷口分析，可以確定材料在不同溫度下的斷裂類型。裂紋的萌生與擴展是材料斷裂的兩個過程，裂紋形成功和與裂紋擴展功共同構(gòu)成了夏比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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