[发明专利]LNG球阀

说明书

技术领域

本发明涉及一种-162℃ LNG球阀，根据LNG球阀需要双向密封、双向开关、开关均存在盲区的特点，在球体处沿径向设置四个单向导通的压力调节阀门，可根据LNG管道流程的具体要求，进行设置并调节各自控制压力，能够自动双向导出盲区内的LNG，并有效控制阀门两侧的压力平衡，易于反流控制，起到即可双向截止，又可双向密封、双向导通LNG的安全效用。同时，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球阀的整体尺寸，具备LNG双向截止与双向安全双重功效；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

在传统的流体控制领域，成套工艺流程中常用的过程控制阀门数量众多，球阀为主要通断阀门之一，具有流动阻力小，可输送气液固三相流，阀门不易堵塞，控制大流量，可双向密封，双向通断，控制方便等特点，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管道中。由于传统的球阀存在控制密封面大，密封面多，存在盲区，易于泄漏等特点，不能应用于低温易燃流体等领域，尤其-162℃ LNG领域。首先，传统的球阀打开或关闭时都会形成双向密封，阀腔内都存在盲区。LNG为低温流体过热流体，盲区内的LNG在阀门打开或关闭后，由于存在环境热源，盲区内LNG逐渐汽化，温度逐渐上升，压力逐渐增大，上部多层密封及下部主密封面易于破坏，阀门存在爆破等更严重的隐患。为解决这一问题，传统的低温球阀用于低温领域时，通过在阀体外增加管道，连接盲区至球阀出口段，导出低温流体，但这种方法导致盲区与阀门一端连通，损坏了球阀主密封面双向密封、双向截止，双向控制的优势，球阀只能使用一个主密封面，不能起到双向密封的作用。另外，由于管道两端的LNG均极易汽化，两端压力往往与两相流控制有关，LNG流体易于反向流动等原因，要求LNG球阀起到双向截止，双向密封的作用，故外加导管连通一侧不能有效解决双向截止的问题。同时，外加导管由于强度等原因易于损坏泄漏，且存在阀体外侧不易于加装保温层，阀体外观不对称等缺点。本发明根据LNG球阀需要双向密封、双向截止的特点，在球体处沿径向设置四个单向导通的压力控制阀门，可根据LNG管道流程的具体要求，进行设置并调节各自控制压力，能够自动双向导出盲区内的LNG，并有效控制阀门两侧的压力平衡，易于反流控制，起到即可双向截止，又可双向密封、双向导通LNG的安全效用。其次，由于LNG汽化后为易燃易爆气体，主要成份为CH₄，传统的低温球阀由于存在大量的密封面，容易引起LNG泄漏，如双向主密封面、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，主密封面采用具有内置弹性弹簧的多重泛塞密封，延长密封面长度，增加密封强度，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，以下阀体对焊、上下阀体对焊的形式减少密封面，以最大限度的降低LNG泄漏。然后，由于LNG球阀上下温差较大，阀体与LNG接触，阀杆旋转执行器、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，以防止阀杆旋转执行器等部件温度太低，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，缩小球阀的整体尺寸。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。两相流遇到球阀突然截止时，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球阀或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，在球阀设计过程中，采用采用盲区LNG导出技术、自增压安全平衡技术及弹性阀杆技术，设置控制LNG截止的预压力，当预压力超过LNG截止设定压力时可通过设置于球体上的压力调节阀导通LNG，起到球阀及安全阀的双重功效，可有效降低LNG球阀的设计压力及LNG输送系统的设计压力，使LNG球阀体积更小，安全性更高，加工制造成本更低。