隨著全球液化天然氣（LNG）生產和貿易的日益增長，LNG船舶作為海上運輸的主要手段和工具，成為各國船舶建造的熱點。目前，我國LNG船用超低溫閥門基本上從國外進口。自行設計和制造具有我國自主知識產權的LNG船用超低溫閥門顯得極其重要。

    2 類型

    不同種類的閥門，其在船舶管系與安裝中所占有的空間、質量和性能有著明顯的差異（圖1）。在低溫系統中，如選用球閥、閘閥或旋塞閥作為開啟和關閉件時，因為該類閥門關閉狀態時存在著封閉的中腔（球閥在全開位置同樣形成密閉空間）并充滿介質，隨著環境溫度的逐漸升高，在閥門中腔內的低溫液化天然氣將發生氣化現象，增大體積約600倍，導致閥腔內壓力迅速增高，很有可能超過閥體所容許的壓力。如果閥腔內壓力無法釋放，將會產生極為嚴重的安全事故。而超低溫蝶閥在結構上避免了閥中腔介質異常升壓現象，無需采用內部和外部泄放方法，或外加泄放集氣裝置解決閥中腔介質異常升壓的問題，保證了環境和設備的安全。

（a）截止閥（b）閘閥（c）球閥

圖1 相同規格不同類型的閥門

    3 采用標準

    LNG船用超低溫蝶閥的設計和制造工藝采用IGCCODE國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則（2002年7月1日生效）、BS6364低溫閥門、MSSSP－134對低溫閥門及其閥體閥蓋加長體的要求及JB/T7749低溫閥門技術條件等標準和規范。

    4 材料選用

    通常LNG船用超低溫蝶閥的工作溫度約在-163℃以下，在此溫度下，閥門的金屬材料會產生低溫冷脆現象，即材料的硬度和脆性提高，塑料和韌性降低，從而影響閥門的性能和系統使用安全。為了防止閥門材料在低溫情況下的低應力脆斷，通常在設計超低溫閥門時，閥體、閥板、密封座、閥桿、填料和緊固件等，其承壓零部件大多選用具有面心立方晶格的奧氏體不銹鋼。銅及銅合金和鋁及鋁合金其力學性能較差，難以在超低溫下滿足其性能要求，故在超低溫閥門很少應用。低碳奧氏體不銹鋼在低溫時變形小，而且沒有明顯的低溫冷脆臨界溫度，可作為超低溫閥門首選材料。

    低碳奧氏體不銹鋼的耐低溫性、耐壓性、耐腐蝕、耐磨損、焊接性、強度、沖擊韌性、相對伸長率和組織穩定性等綜合性能均優于其他材料。常用的低溫材料牌號有304、304L、316和316L，其中316L的穩定性最好，用于閥桿材料需作沉淀硬化處理，以提高材料強度和表面硬度。所有零件材料必須進行低溫處理，盡量降低閥門在超低溫條件下尺寸發生變化，有效避免材料在超低溫條件下形變，且以二次低溫處理為佳，低溫處理的時間在2～6h為宜。一般低溫深冷處理的溫度要低于閥門選用零件的材料相變溫度，并應低于閥門在低溫工作中的實際工作溫度，以減少在使用過程中超低溫對材料的變形而影響閥門的性能。所選零件材料還需進行無損探傷（PT、UT、RT），保證閥門材料不存在缺陷，奧氏體鋼固溶處理，材料還必須進行－196℃低溫韌性沖擊試驗，最小平均沖擊值E=41J。

    5 結構設計

    船用超低溫蝶閥（圖2）的密封副采用三偏心結構，其蝶板為斜切的橢圓形（圖3），連接形式分為法蘭連接和焊接連接。

圖2 三偏心蝶閥

圖3 橢圓形蝶板

    5.1 密封副

    蝶板與金屬閥座（U形圈）靠機械力實現密封（圖4），而不是依附管道介質壓力，因此無論壓力波動大小，均能達到雙向密封。通過采用CAD－CAM系統設計、檢驗及模擬優化，保證其可靠性和安全性。U形圈具有補償功能，即使在溫度反復變化的情況下，仍然保持可靠密封，閥體的微量收縮也不會產生U形圈夾持現象。U形圈選用INCOLOY制作，彈性好，強度高，表面鍍鉻，硬度＞60HRC。

圖4 密封副結構

    在蝶閥關閉狀態下，安裝在閥體內槽中的U形圈可以浮動的隨著橢圓形蝶板變形，橢圓形的蝶板擠入圓形的U形圈，U形圈與蝶板密封面圓周緊密接合，包在蝶板外圓周上，產生密封張力，達到密封效果。在蝶閥開啟瞬間，U形圈與蝶板的接合瞬間分離，安裝在閥體內槽中的U形圈自動恢復其原來形狀，結構上杜絕了傳統金屬密封副之間的磨損，其密封性能完全能滿足標準要求。

    閥門使用過程中，其密封線是固定在某一位置上的。任何密封體（副）在使用中總會有磨損現象產生，從而會引起閥門的泄漏，尤其是在惡劣的工況條件下，其使用壽命更短。超低溫蝶閥在密封結構設計上可自動更移密封線位置（圖5），可靠保證閥門的密封性能，從而延長產品使用壽命。

    5.2 閥桿密封

    超低溫蝶閥的閥桿采用帶雙重填料動載填料密封形式（圖6）。閥桿密封采用長頸設計。長頸的長度及強度、材料的導熱面積及系數和表面散熱系數及散熱面積，均通過有限元熱分析確定，保證閥門閥桿填料函部位的溫度在0℃以上，防止產生因閥桿填料函部分過冷，使填料、填料壓蓋、螺栓螺母和蝶形彈簧組出現冷凍和結霜的現象。

（a）蝶閥即將關閉（b）蝶閥關閉位置

（c）蝶閥關閉調整位置（d）蝶閥關閉調整更移密封線

（e）可調整密封線區域（H）

圖5 蝶閥關閉過程

圖6 閥桿密封

    填料壓蓋壓緊結構采用蝶形彈簧組預緊方式，使閥桿填料密封在低溫狀態下的預緊力可以得到連續補償，同時可補償溫度波動變化時螺栓變形量產生的變化，保證閥桿填料密封性能長期有效。填料采用柔性石墨。柔性石墨對氣體，液體均不滲透，壓縮率大于40%，回彈性大于15%，應力松弛小于5%，以較小的緊固力就能達到密封，柔性石墨還具有較好的自潤滑性，能有效的防止填料與閥桿間的磨損。

    5.3 緊固件

    船用超低溫蝶閥中所配用的螺栓和螺母采用奧氏體鋼，并進行冷作硬化處理。考慮到螺栓的螺紋根部容易產生應力集中，螺栓采用全螺紋形狀，同時在閥門裝配時螺紋部位涂二硫化鉬，防止螺紋擰緊時卡住。

    5.4 防靜電

    LNG是一種具有易燃易爆特性的介質。在蝶閥的設計中采用了防集聚靜電的結構，以防止靜電引起火花造成LNG燃燒甚至爆炸。在閥桿與閥體間設置導通裝置，用以引出靜電，消除隱患，其電阻值小于設計規范規定的10Ω。

    6 制造

    為了防止和避免閥門材料在低溫和超低溫時產生應力集中的脆性破壞，零件設計和加工過程中不應有尖角和凹槽產生，零件采用CNC加工中心加工，以保證零件加工精度、光潔度和形位公差精度。閥門裝配前和裝配過程中，零部件必須經過特殊清潔處理，去除所有可能與LNG發生反應的油脂。

    7 試驗

    超低溫閥門的試驗除了按常溫下通用閥門試驗標準進行各項性能試驗外，還應進行閥門在低溫狀態下（特定低溫性能試驗裝置）的各項性能試驗和操作性能試驗。船用超低溫蝶閥低溫性能試驗包括低溫狀態下產品壽命試驗。

    8 結語

    超低溫閥門控制著整個船舶LNG的儲運系統，其設計、加工與試驗比一般通用閥門的技術要求嚴格和苛刻。完善的質量保證體系和過程控制，是保證閥門產品性能的關鍵。

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