CN103791104A - Lng截止阀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种-162℃LNG截止阀，采用设置预应力弹簧的可收缩弹性阀杆技术、迷宫密封技术及多重密封的全焊接阀门技术等，根据低温阀体的温差应力自由收缩以适应阀体的温度变化，维持阀门密封面所需预应力，防止温差应变引起的泄漏。可有效降低整体阀杆的高度，缩小LNG截止阀的整体尺寸，具备LNG截止与安全双重功效；可有效降低阀门设计压力及LNG输送系统的设计压力，阀门体积更小，安全性更高，加工制造成本更低。
Description
技术领域
本发明涉及一种-162℃ LNG截止阀，采用设置预应力弹簧的可收缩弹性阀杆技术、迷宫密封技术及多重密封的全焊接阀门技术等，根据低温阀体的温差应力自由收缩以适应阀体的温度变化，维持阀门密封面所需预应力，防止温差应变引起的泄漏。可有效降低整体阀杆的高度，缩小LNG截止阀的整体尺寸，具备LNG截止与安全双重功效；可有效降低阀门设计压力及LNG输送系统的设计压力，阀门体积更小，安全性更高，加工制造成本更低。
背景技术
在-162℃ LNG低温领域，成套工艺流程中常用的过程控制阀门数量众多，截止阀为LNG主要通断阀门，为成套工艺设备中不可缺少的主要设备，且一般都采用法兰或螺纹连接于LNG管道中。首先，由于LNG汽化后为易燃易暴气体，主要成份为CH4，传统的低温截止阀由于存在大量的密封面，容易引起LNG泄漏，如阀体与阀盖之间，管道连接处法兰及其它螺纹连接处等，尤其在-162℃低温工况下，密封垫片及密封面往往直接与LNG接触，密封材料容易出现低温脆断，密封面经常出现泄漏，存在很大安全隐患，尤其对于易燃易爆的天然气，泄漏造成的危险性更大。本发明根据LNG低温渗漏特点，按照迷宫密封的原理，在低温阀杆上部开有多个节流降压的环形齿槽，当阀门打开时，压力较高的LNG经多个环形齿槽连续节流降压后，迅速汽化形成高压气体，并密封于阀门上部，与底部的LNG压力达到平衡，以此抵制LNG直接向上渗透并接触上部密封面，以免冻坏密封面，延长了密封面的使用寿命。节流汽化后的气体，温度升高后，密封于阀门上部，可降低LNG与阀门内表面的传热速度，延缓冷量向上传递，以此，可降低阀杆及整个阀门的高度，缩小阀门体积。考虑到LNG低温属性，阀门顶部设置多重低温密封，并填充多重密封函，以满足低温密封面对NG及LNG的密封要求。同时，设置全焊型阀门，不再设置传统的阀盖，以上阀体与下阀体对焊的形式减少密封面，以最大限度的降低LNG泄漏。其次，由于LNG截止阀上下温差较大，阀体与LNG接触，手轮、上阀体及上部阀杆部件与外部大气环境接触，阀门两端存在200℃左右的温差，部件内部存在很大温差应力，尤其阀杆与上阀体之间。LNG阀体一般采用铸钢制造，传热速度较快，需要很长的上阀体及阀杆延迟传热，以防止手轮等部件温度太低，以免造成低温冻伤。一般要求阀杆延长到不结霜为至。此外，由于阀体一般采用铸钢件，阀杆采用钢性锻件，两者热膨胀系数相差较大，低温工况下存在较大温差应力，相互接触后，低温应变容易导致阀体开裂，阀杆变形，主密封面破坏，LNG无法截止等问题。所以，传统的低温阀门用于LNG领域时，要求阀杆较长以减少局部温差应变，使整个阀门体积较大，以适应于冷收缩及解决较大温差应力等问题。本发明根据LNG低温阀门冷量由阀体向上传递的特点，可根据实际阀门的大小，在上阀体外设置传热系数较大的多重圆形散冷翅片，以阻止冷量向上传递，达到降低阀杆高度的要求。同时，由于采用了迷宫密封的多重节流降压及气化效应，阻止LNG向上渗漏，也可降低阀杆的高度。此外，采用设置预应力的可收缩的弹性阀杆技术，根据低温工况下阀体的温差应力，自由收缩以适应阀体的温度变化，保证密封面的所需的预应力，确保密封面不会因大温差变化而导致泄漏，还可有效降低整体阀杆的高度，缩小截止阀的整体尺寸。最后，LNG为低温流体，管道输送压力一般低于0.2MPa，处于饱和状态或过热状态，输送时外界会源源不断通过阀门及管道给LNG提供热量，导致LNG持续汽化，出现两相流。两相流遇到截止阀突然截止时，容易导致管道内剩余LNG压力聚增并过临界。当压力迅速超过临界压力4.6MPa后，温度超过临界温度-82.59℃后，会给整个输送系统完全造成极大隐患，所以，一般的LNG截止阀或LNG系统的设计压力大于6 MPa，使整个LNG系统设计难度增大，设备笨重，体积庞大。本发明根据LNG易过临界的特性，在截止阀设计过程中，采用弹性阀杆技术，设置控制LNG截止的预应力，当预应力超过LNG截止压力0.2MPa时，阀杆可自动上升并打开截止阀，使LNG导通，起到截止阀及安全阀的双重功效，可有效降低LNG截止阀的设计压力及LNG输送系统的设计压力，使LNG截止阀体积更小，安全性更高，加工制造成本更低。
发明内容
本发明根据-162℃ LNG低温输运的特点，发明了LNG截止阀，用于解决传统的在输送LNG时存在的密封泄漏、安全控制、体积较大、设计笨重、阀杆太长等问题，可提高管道内LNG过程控制效率，降低系统设计压力，缩小阀门体积，提高LNG系统的安全性等。
本发明的技术解决方案：
LNG截止阀，由手轮（1）、阀杆螺母（2）、上轴承（3）、止转圈（4）、压紧螺母（5）、压紧螺杆（6）、第一密封圈（7）、压紧销（8）、第二密封圈（9）、第三密封圈（10）、第四密封圈（11）、弹性密封圈（12）、左散冷翅片（13）、上阀体（14）、第六密封挡圈（15）、阀杆螺栓（16）、阀瓣盖（17）、下阀体（18）、阀瓣（19）、下阀杆（20）、阀杆弹簧（21）、第六密封圈（22）、上阀杆（23）、右散冷翅片（24）、弹性密封支撑圈（25）、第五密封圈（26）、第三填料函（27）、第二填料函（28）、第一填料函（29）、填料函压套（30）、填料函压盖（31）、压紧螺母弹簧垫（32）、止转圈销钉（33）、下轴承（34）、轴承压套（35）、手轮螺母（36）组成，所述上阀杆（23）底部通过阀杆螺栓（16）连接下阀杆（20），下阀杆（20）与上阀杆（23）之间安装阀杆弹簧（21）；下阀杆（20）底部安装阀瓣盖（17），阀瓣盖（17）螺纹连接阀瓣（19），阀瓣（19）底部锥形密封面与下阀体（18）中部锥形密封面形成阀门主密封面；上阀杆（23）外部安装上阀体（14），上阀体（14）中部外表面安装圆形左散冷翅片（13）及右散冷翅片（24），左散冷翅片（13）与右散冷翅片（24）对接形成整体多层圆环形外置散冷翅片；上阀体（14）底部与下阀体（18）顶部对焊，下部内表面安装第六密封挡圈（15），第六密封挡圈（15）上部安装第六密封圈（22）；上阀体（14）中部内表面安装弹性密封圈（12），弹性密封圈（12）底部安装弹性密封支撑圈（25）；弹性密封圈（12）上部向上依次安装第五密封圈（26）、第四密封圈（11）、第三填料函（27）、第三密封圈（10）、第二填料函（28）、第二密封圈（9）、第一填料函（29）、第一密封圈（7）；第一密封圈（7）上部安装填料函压套（30），填料函压套（30）顶部安装填料函压盖（31），填料函压盖（31）上安装压紧螺母弹簧垫（32）及压紧螺母（5）；上阀体（14）上部“U”型槽底部内表面安装下轴承（34）及上轴承（3）；下轴承（34）及上轴承（3）内表面安装阀杆螺母（2）；阀杆螺母（2）中部外表面安装轴承压套（35），上部外表面安装手轮（1）；手轮（1）顶部安装手轮螺母（36），手轮螺母（36）螺纹连接阀杆螺母（2）；阀杆螺母（2）内表面螺纹连接上阀杆（23），上阀杆（23）上部安装止转圈（4），止转圈（4）侧面安装止转圈销钉（33）。
上阀杆（23）中部外表面连续开有多个环形齿槽，齿槽可根据实际节流需要工况，设计成矩形齿或螺纹形齿。
上阀杆（23）底部沿径向开有通孔，通孔沿上阀杆（23）轴向向上扩展，并有两条直边；阀杆螺栓（16）中部穿过上阀杆（23）底部长通孔，两端穿透下阀杆（20）外壁并固定；阀杆螺栓（16）可沿上阀杆（23）底部通孔沿上阀杆（23）轴向上下运动。
上阀杆（23）底部设有圆形凸台，凸台以下上阀杆（23）直径缩小后深入至下阀杆（20）中部，下阀杆（20）为圆形中空结构，中部设置圆形凸台。
阀杆弹簧（21）预紧后安装于下阀杆（20）外表面，顶部与上阀杆（23）底部凸台下表面接触，底部与下阀杆（20）中部凸台上表面接触。
方案所涉及的原理问题：
首先，应用迷宫密封节流降压的原理，将阀门上部设置为NG段，下部为LNG段，以此保护阀门上部密封。在-162℃低温工况下，由于大气环境不段提供热量，管道内LNG处于饱和或过热状态，采用截止阀后，极易产生多相流，多相流极易引起过热沸腾，使LNG处于激烈的相变过程并伴随有压力及温度突变，不断产生大量过热蒸气及过热液体等。LNG在管道输运过程中，系统压力及温度难以控制，相变过程复杂多变，管道内LNG温度及压力剧烈变化，使管道与阀门的连接处法兰密封件或螺旋密封材料极易破坏，导致管道内LNG泄漏，产生极大的安全隐患。本发明根据LNG低温渗漏特点，按照迷宫密封的原理，在低温阀杆上部开有多个节流降压的环形齿槽，当阀门打开时，压力较高的LNG经多个环形齿槽节流降压后，迅速汽化形成高压气体，并密封于阀门上部，与底部的LNG压力达到平衡，以此抵制LNG直接向上渗透并接触上部密封面，以免冻坏密封面。节流汽化后的气体，温度升高后，密封于阀门上部，可延缓冷量向上传递，即可降低阀杆及整个阀门的高度。考虑到LNG低温属性，阀门顶部设置多重低温密封，并填充多重密封函，以满足低温密封NG及LNG的要求，同时，设置全焊型阀门，不再设置阀盖，以上阀体与下阀体对焊的形式减少密封面数量。其次，应用可变长度的弹性阀杆，解决不同材料低温应变的问题。由于LNG截止阀上下温差较大，阀体与LNG接触，手轮等部件与外部大气环境接触，阀门两端存在200℃左右的温差，部件内部存在很大温差应力，尤其阀杆与上阀体之间，而LNG阀体一般采用铸钢制造，传热速度较快，所以要求较长的阀杆，保证手轮等部件温度不能太低，以免造成低温冻伤，一般要求阀杆长到不结霜为至。此外，由于阀体一般采用铸钢件，阀杆采用钢性锻件，两者热膨胀系数相差较大，低温工况下存在较大温差应力，相互接触后容易导致阀体开裂，阀杆变形，主密封面破坏，LNG无法截止等问题。所以，传统的低温阀门用于LNG领域时，要求阀杆较长，整个阀门体积较大，以适应于冷收缩及解决较大温差应变等问题。本发明根据LNG低温阀门冷量由阀体向上传递的特点，可根据实际阀门的大小，在上阀体外设置传热系数较大的多重圆形散冷翅片，以阻止冷量向上传递，达到降低阀杆高度的要求。同时，由于采用了迷宫密封的多重节流降压及气化效应，阻止LNG向上渗漏，降低传热速度，也可有效降低阀门的高度。此外，采用设置预应力弹簧的可收缩的弹性阀杆技术，可根据低温工况下阀体的温差应力自由收缩以适应阀体的温度变化，同时保证密封面的所需的预应力，确保主密封面不会因大温差应变而导致泄漏，即可有效降低整体阀门的高度，缩小LNG截止阀的整体尺寸。最后，应用低温预紧应力与输送压力匹配的原理，解决LNG截止阀低温工况下的完全问题，降低阀门及系统设计压力。LNG为低温流体，管道输送压力一般低于0.2MPa，总处于饱和状态或过热状态，输送时外界会源源不断通过阀门及管道提供热量，导致LNG不段汽化，易出现两相流。两相流遇到截止阀突然截止时，环境热源不段加热，容易导致管道内剩余LNG压力聚增并过临界，压力迅速超过临界压力4.6MPa，温度超过临界温度-82.59℃，给整个输送系统的完全造成极大隐患。所以，一般的低温截止阀或LNG系统的设计压力将超过6 MPa，使整个LNG系统设计难度增大，设备笨重，体积庞大。本发明根据LNG易过临界的特性，在截止阀设计过程中，采用弹性阀杆技术，设置控制LNG截止的预压力，当预压力超过LNG截止压力0.2MPa时，阀杆可自动上升并打开截止阀，使LNG导通，起到截止阀及安全阀的双重功效，可有大大降低LNG截止阀的设计压力及LNG输送系统的设计压力，阀门体积更小，安全性更高，加工制造的成本更低。
本发明的技术特点：
首先，本发明根据LNG低温渗漏特点，按照迷宫密封的原理，在低温阀杆上部开有多个节流降压的环形齿槽，当阀门打开时，压力较高的LNG经多个环形齿槽节流连续降压后，迅速汽化形成高压气体，并密封于阀门上部，与底部的LNG压力达到平衡，以此抵制LNG直接向上渗透并接触上部密封面，以免密封面冻坏，延长了密封面的寿命。节流汽化后的气体，温度升高后，密封于阀门上部，可降低LNG与阀门内表面的传热速度，延缓冷量向上传递，以此，可降低阀杆及整个阀门的高度，缩小阀门体积，便于阀门管理。考虑到LNG低温属性，阀门顶部设置多重低温密封，并填充多重密封函，以满足低温密封面对NG及LNG的密封要求。同时，设置全焊型阀门，不再设置传统的阀盖，以上阀体与下阀体对焊的形式减少密封面，以最大限度的降低LNG泄漏。其次，本发明根据LNG低温阀门冷量由阀体向上传递的特点，可根据实际阀门的大小，在上阀体外设置传热系数较大的多重圆形散冷翅片，以阻止冷量向上传递，达到降低阀杆高度的要求。同时，由于采用了迷宫密封的多重节流降压及气化效应，阻止LNG向上渗漏，也可降低阀杆的高度。此外，采用设置预应力的可收缩的弹性阀杆技术，可根据低温工况下阀体的温差应力，自由收缩以适应阀体的温度变化，保证密封面的所需的预应力，确保密封面不会因大温差变化而导致泄漏，还可有效降低整体阀杆的高度，缩小截止阀的整体尺寸。最后，本发明根据LNG易过临界的特性，在截止阀设计过程中，采用弹性阀杆技术，设置控制LNG截止的预应力，当预应力超过LNG设定截止压力时，阀杆可自动上升并打开截止阀，使LNG导通，起到截止阀及安全阀的双重功效，可有效降低LNG截止阀的设计压力及LNG输送系统的设计压力，使LNG截止阀体积更小，安全性更高，加工制造成本更低。
附图说明
图1所示为LNG截止阀的主要部件及安装位置关系。
具体实施方式
加工制造LNG截止阀主要部件，包括手轮（1）、阀杆螺母（2）、上轴承（3）、止转圈（4）、压紧螺母（5）、压紧螺杆（6）、第一密封圈（7）、压紧销（8）、第二密封圈（9）、第三密封圈（10）、第四密封圈（11）、弹性密封圈（12）、左散冷翅片（13）、上阀体（14）、第六密封挡圈（15）、阀杆螺栓（16）、阀瓣盖（17）、下阀体（18）、阀瓣（19）、下阀杆（20）、阀杆弹簧（21）、第六密封圈（22）、上阀杆（23）、右散冷翅片（24）、弹性密封支撑圈（25）、第五密封圈（26）、第三填料函（27）、第二填料函（28）、第一填料函（29）、填料函压套（30）、填料函压盖（31）、压紧螺母弹簧垫（32）、止转圈销钉（33）、下轴承（34）、轴承压套（35）、手轮螺母（36）等，在-162℃低温工况下，根据系统要求，调节并校正阀杆弹簧（21）预应力，并在预紧状态下安装于阀杆，使阀杆弹簧（21）预应力大于LNG管道内工作压力。然后，安装主要部件，安装完成后，焊接上阀体（14）与下阀体（18）。最后，将LNG截止阀下阀体（18）两端焊接于LNG管道中，并加装保温层。
当阀门需要关闭时，通过旋转手轮，上阀杆（23）及下阀杆（20）向下运动，带动阀瓣（19）向下运动并与下阀体（18）密封。当系统压力由于LNG闪蒸等原因突然增大并大于LNG截止阀设定调节压力时，左侧高压区内的LNG迅速汽化，并推动阀瓣（19）带动下阀杆（20）及安装于下阀杆（20）上的阀杆螺栓（16）向上运动，压缩阀杆弹簧（21），阀门处于被动打开状态，并向右侧泄压。泄压完成后，阀门再次关闭并截止LNG流通。此时，阀门主要通过下阀体（18）向上传递冷量，冷量经上阀体（14）中部安装的左散冷翅片（13）及右散冷翅片（24）散入大气环境，以确保阀门上端不结霜。上阀杆（23）及下阀杆（20）与上阀体（14）之间由于温差应力产生的相互作用力可通过阀杆弹簧（21）改变整体阀杆长度的方式自动调节。
当阀门需要打开时，通过旋转手轮（1），上阀杆（23）及下阀杆（20）向上运动，带动阀瓣（19）向上运动并与下阀体（18）密封面脱离。LNG通过下阀体（18）左侧沿中部密封面向右侧流动，此时，右侧阀腔内充满LNG，其中，有一少部分的LNG通过第六密封圈（22）沿上阀杆（23）外表面向上渗透运动，经上阀杆（23）中部的环形迷宫密封节流降压并汽化，汽化后温度升高，并经上部弹性密封圈（12）、第五密封圈（26）、第四密封圈（11）、第三填料函（27）、第三密封圈（10）、第二填料函（28）、第二密封圈（9）、第一填料函（29）、第一密封圈（7）等密封于阀体上部。此时，阀门主要通过上阀体（14）内的LNG向上传递冷量，主要冷量经上阀体（14）中部安装的左散冷翅片（13）及右散冷翅片（24）散入大气环境，其中，少部冷量通过上阀杆（23）向上传递，经迷宫密封内的气体散冷后，再传递至阀门顶部，此时，经上阀杆（23）传递至阀门顶部的冷量已很少。由于上阀杆（23）及下阀杆（20）没有承受压力，此时上阀杆（23）及下阀杆（20）与上阀体（14）之间产生的温差应变不会相互作用。
Claims (5)
1.LNG截止阀，包括手轮（1）、阀杆螺母（2）、上轴承（3）、止转圈（4）、压紧螺母（5）、压紧螺杆（6）、第一密封圈（7）、压紧销（8）、第二密封圈（9）、第三密封圈（10）、第四密封圈（11）、弹性密封圈（12）、左散冷翅片（13）、上阀体（14）、第六密封挡圈（15）、阀杆螺栓（16）、阀瓣盖（17）、下阀体（18）、阀瓣（19）、下阀杆（20）、阀杆弹簧（21）、第六密封圈（22）、上阀杆（23）、右散冷翅片（24）、弹性密封支撑圈（25）、第五密封圈（26）、第三填料函（27）、第二填料函（28）、第一填料函（29）、填料函压套（30）、填料函压盖（31）、压紧螺母弹簧垫（32）、止转圈销钉（33）、下轴承（34）、轴承压套（35）、手轮螺母（36）组成，其特征在于：所述上阀杆（23）底部通过阀杆螺栓（16）连接下阀杆（20），下阀杆（20）与上阀杆（23）之间安装阀杆弹簧（21）；下阀杆（20）底部安装阀瓣盖（17），阀瓣盖（17）螺纹连接阀瓣（19），阀瓣（19）底部锥形密封面与下阀体（18）中部锥形密封面形成阀门主密封面；上阀杆（23）外部安装上阀体（14），上阀体（14）中部外表面安装圆形左散冷翅片（13）及右散冷翅片（24），左散冷翅片（13）与右散冷翅片（24）对接形成整体多层圆环形外置散冷翅片；上阀体（14）底部与下阀体（18）顶部对焊，下部内表面安装第六密封挡圈（15），第六密封挡圈（15）上部安装第六密封圈（22）；上阀体（14）中部内表面安装弹性密封圈（12），弹性密封圈（12）底部安装弹性密封支撑圈（25）；弹性密封圈（12）上部向上依次安装第五密封圈（26）、第四密封圈（11）、第三填料函（27）、第三密封圈（10）、第二填料函（28）、第二密封圈（9）、第一填料函（29）、第一密封圈（7）；第一密封圈（7）上部安装填料函压套（30），填料函压套（30）顶部安装填料函压盖（31），填料函压盖（31）上安装压紧螺母弹簧垫（32）及压紧螺母（5）；上阀体（14）上部“U”型槽底部内表面安装下轴承（34）及上轴承（3）；下轴承（34）及上轴承（3）内表面安装阀杆螺母（2）；阀杆螺母（2）中部外表面安装轴承压套（35），上部外表面安装手轮（1）；手轮（1）顶部安装手轮螺母（36），手轮螺母（36）螺纹连接阀杆螺母（2）；阀杆螺母（2）内表面螺纹连接上阀杆（23），上阀杆（23）上部安装止转圈（4），止转圈（4）侧面安装止转圈销钉（33）。
2.根据权利要求1所述的LNG截止阀，其特征在于：上阀杆（23）中部外表面连续开有多个环形齿槽。
3.根据权利要求1所述的LNG截止阀，其特征在于：上阀杆（23）底部沿径向开有通孔，通孔沿上阀杆（23）轴向向上扩展，并有两条直边；阀杆螺栓（16）中部穿过上阀杆（23）底部长通孔，两端穿透下阀杆（20）外壁并固定；阀杆螺栓（16）可沿上阀杆（23）底部通孔沿上阀杆（23）轴向上下运动。
4.根据权利要求1所述的LNG截止阀，其特征在于：上阀杆（23）底部设有圆形凸台，凸台以下上阀杆（23）直径缩小后深入至下阀杆（20）中部，下阀杆（20）为圆形中空结构，中部设置圆形凸台。
5.根据权利要求1所述的LNG截止阀，其特征在于：阀杆弹簧（21）预紧后安装于下阀杆（20）外表面，顶部与上阀杆（23）底部凸台下表面接触，底部与下阀杆（20）中部凸台上表面接触。
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