引言
随着天然气液化技术的快速发展,液化天然气(LNG)的消费量目前正在以每年10%的速度增长,已成为一种新兴的节能和清洁能源。LNG的主要成分为甲烷、少量乙烷、丙烷以及其他成分,其沸点为-162℃,熔点为-182℃,燃为50℃。
LNG分子量小,粘度低,渗透性强,易于泄漏和扩散,在其生产、接受、运输和气化等装置中,低温紧急切断阀对其系统的安全可靠运行具有极为重要的作用。
低温紧急切断阀主要用于LNG槽罐车、撬装系统等运输、储存LNG相关设备系统上切断和流通LNG,并在出现故障时能及时切断LNG排放。因此,设计了安全可靠的低温紧急切断阀,并介绍其工作原理、结构组成,对关键部件校核进行了分析。
1、低温紧急切断阀设计
1.1低温紧急切断阀的工作原理
低温紧急切断阀与管路连接为焊接式,不工作时,活塞在弹簧的预紧力作用下,通过阀杆和阀芯传力,使阀芯密封块和阀体密封,保持阀门的关闭;工作时,向气缸充入压缩气体,在介质压力推动下,活塞克服弹簧压力向上运动,带动阀杆及阀芯向上,阀门打开;当处于开启位置的阀门,周围环境温度升高至70±5℃时,易熔塞熔化,气缸压缩气体排放,弹簧压力推动活塞向下运动,推动阀杆和阀芯迅速向下关闭阀门,切断介质继续排放,防止危险发生或扩大。低温紧急切断阀的工作原理如图1所示。
图1 紧急切断阀的工作原理
1.2、低温紧急切断阀的组成(见图2)
1-阀体 2-阀芯组件 3-密封垫 4-阀盖组件 5-填料组件 6-防尘组件 7-气缸 8-指示板 9-易熔塞 10-连接组件 11-活塞组件 12-外罩 13-手轮 14-消音器 15-弹簧 16-接管嘴 17-刻度牌
图2 紧急切断阀的结构图
低温紧急切断阀由阀体、阀芯组件、密封垫、阀盖组件、气缸、指示板、易熔塞、连接组件、活塞组件、外罩、手轮组件、消音器、弹簧、接管嘴和刻度盘等组成。其中阀芯组件包括阀芯、密封块、垫片、弹垫、防松螺母、锁紧螺母等;阀盖组件包括阀盖、套筒和阀盖上体等;防尘组件包括防尘套和O形圈组成;连接组件包括连接螺杆、锁紧螺杆和O形圈等;活塞组件包括活塞、上连接杆、上连接杆锁紧螺套、润滑块等组成。阀体和阀盖组件用螺栓锁紧,用密封垫密封;气缸下端的支架装在阀盖上体的上端,用锁紧螺套锁紧;活塞装在气缸中,用O形圈实现动密封;阀杆上端通过螺纹与连接组件连接,中间装有指示板,指示阀芯开度;防尘组件套在阀杆上,通过螺纹连接在阀盖上体,同时压紧填料组件,用内外两组O形圈分别与阀盖上体和阀盖实现内外密封,密封防止杂质进入,影响填料密封效果;填料组件实现对阀盖上体和阀杆的密封,确保介质不因阀杆运动而泄漏;中心带有内螺纹的外罩与气缸通过螺栓连接,将弹簧压缩在活塞上面,提供向下压缩的压力;活塞组件的上连接杆通过螺纹与外罩的内螺纹连接,必要的时候,通过螺纹传力,带动阀芯运动;手轮安装在活塞组件的上连接杆的顶端,通过锁紧螺母及垫圈锁紧,必要时转筒手轮,通过螺纹传动,是活塞向上移动,进而带动阀芯向上移动,实现紧急切断阀手动打开。
1.3、低温紧急切断阀工作情况
低温紧急切断阀在系统中处于安全防护的部件,因此紧急切断阀为常开阀。正常低温紧急切断阀产品装配调试完成后,处于关闭状态,安装到系统中后仍旧关闭,通过指示板和刻度牌能直接观测阀门是处于关闭还是打开状态;当系统准备开始工作时,通过接管嘴给气缸充入0.4~0.7MPa的压缩空气或氮气,在气体压力作用下推动活塞克服弹簧预紧力向上运动,带动阀杆及阀芯,打开阀门,此时紧急切断阀只作为一个开路存在,不影响系统其他操作;当系统出现意外,随着周围环境温度升高,低温紧急切断阀易熔塞温度升至70±5℃时,其内部易熔金属熔化,气缸通过易熔塞排出的压缩介质,活塞在弹簧压力推动下运动,推动阀杆和阀芯密封件迅速压紧阀座,关闭阀门,阻止
LNG继续排放,起到防止危险发生或扩大的作用。
1.4、低温紧急切断阀材料选择
低温紧急切断阀为了满足使用要求,根据使用及成本情况阀体采用精密铸造成型的CF8,阀芯、阀杆、阀盖、阀盖上体及套筒等选用低温不锈钢06Cr19Ni10,阀芯密封块和阀盖密封垫选用聚全氟乙丙烯,填料选用聚四氟乙烯,防尘密封和气缸密封选用丁腈橡胶O形圈 ,活 塞 、连 接 杆 、锁 紧 螺 母 等 选 用 一 般 不 锈 钢1Cr18Ni9Ti,气缸、外罩及手轮选用铸造铝合金,润滑块选用耐磨且能自润滑的黄铜。
1.5、低温紧急切断阀特点
本低温紧急切断阀有以下特点:
①传动机构为明杆传动机构,结构更加合理;
②主阀芯密封采用球面与平面密封,使密封更为可靠,更适用于紧急切断阀的使用要求;
③阀芯为螺套锁片式,有利于装配和更换;
④执行器部分为气缸活塞式机构,动作更加平稳可靠;
⑤阀门填料密封采用一新型的填料结构,除聚四氟乙烯填料外,还配有O形圈密封,在很小的压紧力下,能够达到零外漏;
⑥不能向气缸提供压缩气体时,通过转动手轮及其连接件开启阀门,不致影响整个系统的正常工作,为减少手轮转动时的摩擦力,在上连接杆和活塞连接中间套有铜润滑块,转动阻力较小,操作方便。
2、低温紧急切断阀设计计算
对低温紧急切断阀关键部位强度和关键参数进行计算。
2.1、阀体强度计算
查 资 料304不 锈 钢 在- 196℃时 抗 拉 强 度 约 为520MPa。
式中 tB/——计算厚度,mm;
p ——计算压力,PN设计给定,MPa;
Dn——计算内径,设计给定,mm;
[σ]L——许用拉应力,查表,MPa;
C ——腐蚀余量,设计给定mm;
tB——实际厚度,设计给定mm。
从计算结果看出,如果用304不锈钢进行加工,那么壁厚仅需2.033mm即可,兼顾接口尺寸要求及加工工艺性,最小壁厚5mm。
2.2、密封比压的计算
1)阀芯与阀体密封比压及受力的计算阀芯和阀体密封是聚全氟乙丙烯密封块和阀体金属之间软密封,阀芯和阀体的密封副密封面比压按下式计算:
式中 FM——密封面上的作用力(N);
q=3.5p=3.5×4=14MPa
因此,q 取14MPa,带入式中 FM=q*π(d+bm)bm=14×3.14×(26+0.5)×0.5=582.5N,使阀芯实现可靠密封的轴向密封力F3为582.5N。取1.2倍安全系数,轴向密封力F3取699N。
2)阀盖与阀体密封比压及受力的计算
阀盖与阀体是通过聚全氟乙丙烯密封垫片密封,也是软密封,因此可以借鉴上述计算结果,密封比压 q取14MP,阀盖与阀体密封所需的轴向密封力FMG=q·π(d+bm)bm=14×3.14×(32+3)×3=4615.8N取1.2倍安全余量,FMG取5540N,因此阀体和阀盖通过6个螺栓连接所需承受的压力为5540N。
2.3、弹簧及阀杆受力的分析
1)关闭时,阀杆轴向力最大,按下式计算:
式中
F1——轴向合力(N);
FM——阀芯关闭所需密封力(N);
F2——关闭时介质对阀芯作用力(N);
FT——弹簧压力。
弹簧压力FT计算
取1.1倍安全系数,弹簧预紧力取1703N。
2.4、阀杆强度校核
阀杆所受的最大力为压力,拉压应力按式校核:
式中 σ ——最大压应力(MPa);
F1——阀杆最大压力(N);
S——最小截面处的面积(mm2);
式中
[σ]——材料的许用拉或压应力MPa。
2.5、阀盖与阀体螺栓拧紧力矩的计算
阀盖与阀体所需的轴向密封力由螺栓的拧紧力矩所提供,所需拧紧力矩T,由下列公式计算
留安全余量,螺栓拧紧力矩T取1.5Nm。
2.6弹簧的计算
本产品中弹簧的预紧力主要是压缩预紧力,实现阀芯关闭,因此弹簧预紧力初步取1703N。弹簧材料弹簧钢丝65Mn,钢丝直径初步选择为8mm,弹簧旋绕比取6.5,有效圈数取3,则刚度K计算,97.1N/mm,弹簧安装长度70mm,弹簧总长为88mm,节距P为20mm。
2.7气缸直径的计算
本产品中阀芯行程为8mm,则在阀芯打开时候,弹簧的最大压力为2479.8N,阀芯开启靠气缸压力克服弹簧力,则气缸直径d为
计算得d为88.86,取89mm。
3、结语
根据工作环境和使用要求,考虑材料、结构等相关因素,设计开发了低温紧急切断阀,满足了LNG运输、贮存系统中的安全防护使用要求,对同类产品的设计开发具有借鉴作用。
(来源:中国泵阀第一网)
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