LNG超低温阀门的设计及材料低温物性的研究

摘要：随着社会的发展以及工业技术的革新，液化天然气已经被广泛应用于人们生活中，但是液化天然气的存储运输是一个比较难的问题，液化天然气沸点-162°C，在如此低温条件下对于阀门的设计方式是否合理以及材料是否恰当就显得尤为重要，因为一般的材料在如此低温条件下表现的结构不稳定或易脆。本文将对LNG超低温阀门设计方法进行讨论，以及选取存储LNG的材料在低温时候的物性进行研究。

　　关键词：LNG；超低温阀门；材料低温物性

　　0前言

　　随着社会的发展，工业技术的创新，人们生活质量的提高，如今天然气尤其是LNG已经深入到许许多多人们的生活中，就算在农村，很多农民也渐渐的接受了天然气。到现在为止，液化天然气每年都保持着较高的增长比例，在全球液化天然气也是主要的使用能源之一，我国也将其作为调整能源结构的重点工作。液化天然气是一种高效、使用方便且相对很安全的一种清洁能源，其主要成分是甲烷，此外还含有少量的乙烷、丙烷等[1]。液化天然气的来源方式主要是通过气田的开采，但是直接开采出来的还并未是我们所说的液化天然气，它还需要经过脱水、重烃类分离、酸性气体分离以及在-162°C进行液化，最后才能形成我们所说的液化天然气。由于液化天然气的沸点是如此的低温，因此如何选择低温材料来保存就需要非常谨慎，其次存储液化天然气的阀门也同样谨慎对待，阀门的可靠、安全可以防止液化天然气的泄露以及因泄露导致爆炸。

　　1超低温阀门的设计

　　阀门是一种在液体运输系统中不可或缺的部件，其主要的作用是对运输的液体进行引导流动方向、调节液体流动速度、控制是否液体流动、运输中防止液体泄漏等等。LNG超低温阀门是一种特殊材质制成的阀门，普通的阀门主要考虑房腐蚀，但是对于LNG超低温阀门则需要在考虑防腐蚀的前提外，还需要考虑-162°C低温的影响，一般材质在这种低温下很难保持好韧性以及好的稳定性，在如此低的温度下一般的材质稳定性不够容易发生变形，从而导致阀门出现缝隙，出现液化天然气泄漏的情况。

　　液化天然气超低温阀门设计首要需要考虑的是其气密性，即是说如何设计可以有效的减少LNG的泄露，首先为了减少装置之间的耦合性因素，对于阀门我们需要其整体成型的锻造，从而减少零件之间的耦合性；其次，阀门与容器之间必然会存在衔接处，对于衔接处的焊接需考虑到以后长期低温对焊接处的影响，因此在选择焊接工艺的时候需要特殊考虑。等离子堆焊技术是近年来发展迅猛的一种焊接技术，早在50年代时候其就已经被广泛应用[2]，近年来，科学家已经将该技术推广到多种材料领域，包括陶瓷材料、复合材料等。等离子堆焊技术以等离子弧作为焊接时候所需提供的热源，然后将焊料和母料表面熔化，从而使焊料在母料表明形成一种冶金结合物，这种冶金结合物具有很好的耐磨性、抗腐蚀性以及很强的硬度等特性。

　　阀门的设计方式上通常有闸阀、球阀、蝶阀、截止阀、止回阀等等，不同的类型有着不同的特点。闸阀，在超低温条件下使用的闸阀是一种单向密封的阀门，需要在阀体上表明介质的流向。球阀，在超低温条件下通常采用顶装式结构，其密封性较差，通常将其使用于带颗粒物体的流体。蝶阀，在超低温条件下需要双向密封，阀门密封性、可靠性较好。截止阀，在超低温条件下采用锥面或者球面密封，密封性较好。止回阀，在超低温条件下采用旋启式或轴式。主要考虑低温时的密封性以及可靠性，本文采用截止阀。

　　2材料低温物性研究

　　液化天然气的沸点为-162°C，所以LNG阀门的正常温度应该也是-162°C，在如此的低温条件下，一般的金属材料将会表现出一种冷脆的现象，这也就以为着若使用日常生活中所见到的阀门材料，那么其安全性、气密性、稳定性等都将成为很大的疑惑点。因此，为了防止这种冷脆的现象，那么材料的选择上我们就应该放弃常用的金属材料，寻找耐低温的材料。奥氏不锈钢是一种具有良好韧性、强度、焊接性且耐腐蚀的面心立方结构材料，且其在温度上下浮动中有着较低的膨胀系数，在接近-200°C时候也不表现出冷脆现象，其主要含量有Cr和Ni，两者含量占三分之一左右，其余还含有C、Ti、N、S、P等，常见的奥氏不锈钢有AISI304，AISI304L，AISI316，AISI316L等，据有关资料显示AISI316L的稳定性最佳，常用做超低温材料，因此在选择阀门材料时候选择AISI316L作为制作LNG超低温阀门的主要材料。

　　此外，三氟氯乙烯的聚合物PCTFE也是一种常用的超低温材料，它属于一种热塑性树脂，具有较好的硬度、耐磨且在超低温时候不易冷脆、稳定性高、可靠性好的特点。它的耐低温条件可以达到接近绝对零度，在渗透率上具有最低的渗透率，可以说机会不渗透任何气体。膨胀石墨也是一种耐低温、抗腐蚀且密封性较好的一种材料，在超低温度条件下其具有较小的热膨率、渗透率以及较好的弹性，因此在设计超低温阀门时候其常常作为填料，因为其以增强阀门的气密性。

　　3讨论

　　在如今这个社会生活中，人们的生活基本上离不开天然气特别是液化天然气，这自然而然的就会带动液化天然气工厂的发展，因此越来越多的液化天然气需要运输到各个接收站和气化站，因此LNG超低温阀门的需求量也就越来越大，其安全性、可靠性以及稳定性等因素就显得尤为重要，所以对LNG超低温阀门的设计以及耐低温材料的选取上就需要我们引起足够的重视。需要保证在超低温条件下阀门能正常工作，且不能发生泄漏现象以及阀门装置安全可靠。本文通过分析研究，得出低温材料选取奥氏不锈钢作为LNG超低温阀门的主要材料，采用截止阀设计方式设计阀门，通过等离子堆焊技术对阀门进行焊接。取材上以超低温耐磨、耐腐蚀、不易冷脆等因素为主，阀门的设计方式也采取在超低温条件下具有较高的密封性以及安全可靠性为主，焊接技术同业也以密封性、硬度高等特点为主。

　　参考文献：

　　[1]孙奇.LNG超低温阀门的设计及材料低温物性的研究[D].大连理工大学，2013.

　　[2]侯晋峰，叶盛来.LNG超低温蝶阀的研制[J].通用机械，2011（05）：53-55.

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