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阀门技术

LNG低温阀门技术发展趋势分析

    1 LNG低温阀门技术概要

    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℃,燃点为650℃。LNG的分子量小,黏度低,渗透性强,易于泄漏和扩散,在其生产、接收、运输和气化等装置中,超低温阀门对其系统的安全可靠运行具有极为重要的作用。

    目前,LNG关键设备用的门按功能主要分为调节阀、关断等阀门类型,其中调节阀包括单座直通阀、多级降压调节阀、蝶阀三类;关断阀包括闸阀截止阀蝶阀球阀五类;其他阀门类型还包括安全阀、真空阀和热释放阀等。LNG阀门在装置中起重要的切断、止回、调节等作用,并且其正常工作温度约-163℃,因此在阀门设计时,除了要遵循一般阀门的设计原则,还需要满足在深冷工况及易燃易爆介质下安全、密封可靠、开关灵活等要求。阀门主体材料不应产生低温脆性破坏,同时还应耐介质的腐蚀性,并且材料的组织结构应稳定,以防止材料相变而引起体积变化。采用焊接结构时,应选择焊接性能及低温下焊缝的可靠性好的材料。阀杆与阀体间的密封一般采用填料函密封结构或波纹管密封结构。阀门的中法兰密封和法兰连接式阀门的外部连接,采用的垫片必须在常温、低温及温度变化下具有可靠的密封性和复原性。

    LNG阀门的阀体、阀盖、阀瓣、阀座、阀杆等零件在精加工前宜进行深冷处理,消除由于这些部件材料因发生组织转变导致的体积变化。阀门外泄漏主要集中在阀体/压盖法兰处和上阀杆填料处,在阀体/压盖处及阀杆处引入唇式密封的密封方式,可以很好控制阀门的外泄漏。阀门的测试和检验,除包含阀门在常温下的测试和检验外,还有阀门在低温状态下的试验,主要包括低温试验、外泄漏试验和中腔泄压实验。

    2 数据与研究方法

    本文将在专利与标准数据分析的基础上,分析LNG低温阀门技术的竞争态势以及发展趋势。其中专利分析的主要内容包括:专利技术领域主要研究内容、主要技术竞争者、研发团队、以及利益相关者分析等。标准数据主要用于分析目前重点关注内容以及标准细分。

    专利数据的来源为德温特专利数据库(DII),检索日期2013年5月30日,采用关键词与IPC结合检索的方式,获得专利题录数据1037条。经过整理后,目前涉及LNG产品与技术的相关标准数据共有38条。可视化软件采用的是UciNet及VosViewer。

    3 LNG低温阀门专利技术分析

    3.1 专利申请趋势分析

    (1)申请数量与授权数量的时间分布

    从数据集的专利数量分布来看,LNG低温阀门领域的专利申请在2006年以前呈现出稳定增长趋势(如图1申请年曲线所示),而从2006年开始呈现出快速增长的趋势。从主要IPC小类来看,这种快速增长主要是因为F17C与F16K专利数量的增加引起的(如图2所示),其中F17C为压缩、液化或固化气体容器技术,F16K为转轴(阀门)技术。从IPC大组分类号来看,F17C小类下的技术主要集中于容器的填装与排放部件(F17C-13/00),排放液化或固化气体的方法或装置(F17C-009/00、F17C-007/00)、制冷技术(F25B-009/00)、液化与固化技术(F25J-001/00),具体包括:阀的配置与安装(F17C-13/04)、指示计量与监控装置(F17C-13/02))、汽化装置(F17C-009/02)、液化气填装技术(F17C-005/02)、循环制冷技术(F25B-009/14)、医学冷冻技术(A61B-018/02)等。参见图3。

图1 LNG低温阀门专利的申请与专利优先权年分布

图2 2000年以来主要IPC小类的增长情况

图3 2000年以来主要IPC号的变化情况

    (2)生命周期分析

    根据专利发展的生命周期理论,目前LNG阀门技术正在处于快速增长期,即专利数量与发明人数量都呈现出快速增长的势头(如图4所示)。LNG阀门技术在经历20世纪70年代至20世纪末的初始发展阶段后,自2000年后开始处于快速增长阶段,而在2005年之后更是表现出快速增长的势头。这说明目前LNG阀门技术仍是一个新兴技术领域,具有较强的吸引力。

图4 LNG阀门专利技术的专利数量与发明人数量分布

    3.2 LNG阀门技术的主要研究领域

    (1)标题关键词分析

    LNG阀门专利文献标题中的主要关键词(如表1所示),进一步说明了目前该领域的主要研究内容。除了3.1部分主要IPC的分析外,我们还可以看出,LNG阀门技术与低温流体或液体阀门技术具有一致性,而且低温与高压是该技术领域关注的焦点问题。此外LNG阀门技术更多是与LNG的存储与运输相关联,如车载或船运。

表1 LNG阀门专利文献的主要标题关键词

    标题高频词语的共现关系(如图5所示)可以进一步揭示技术领域的研究主题。车用发动机与制冷系统是低温阀门系统的主要应用领域,对阀门系统的研究主要包括低温管道、传感器、球形阀、计量装置、阀体等,其中低温管道、流体控制、制冷系统应用、存储罐、压力技术等是热点研究内容。

图5 LNG专利文献标题主要关键词共现

    

    (2)专利分类号分析

    LNG阀门专利的主要IPC如表2所示。通过这些IPC可以看出,目前LNG阀门技术开发主要面向的是应用,如LNG存储过程需要的装填与释放、计量与控制等,而非阀门自身技术,因为F16K小类的专利相对较少。从IPC小组来看,F16K中的专利主要为控制阀(ControlValve)、球形阀(BallValve)、提升阀、闸门阀或滑阀(机械致动装置)、蝶形阀等。

    LNG低温阀门的IPC小类的共现关系(如图6所示)。通过图6,除了可以发现阀门技术本身(F16K)外,同样也能找到低温阀门的应用领域,如低温液体的存储(F17C)与运输(B67D、B63B、B65B)、制冷装置与系统(F25D、F25B)、医疗仪器(A61B)、清洁与除垢(B09C、B08B)、食品加工设备(A23L)、低温液态燃料供给(F02M、F02D、B60K)等,其中面向低温液体存储(F17C)与制冷系统(F25B)的阀门设计与改进是目前专利技术的重点关注内容。

图6 LNG低温阀门专利的IPC小类共现关系

图7 LNG低温阀门专利IPC小组共现关系

    通过IPC小组的共现关系(如图7所示),可以进一步揭示出低温阀门领域的技术重点:低温液体存储过程中的装填与排放技术、管道及其监测技术、制冷系统中的应用、提升阀切断装置、泵装置、发动机非液态燃料输送技术、低温液态气体分离中的应用等。

表2 LNG阀门专利的主要IPC

    3.3 主要竞争者分析

    在LNG低温阀门领域拥有较多专利的企业如表3所示,其中拥有专利数量较多的专利权人并非阀门制造商,而是处于应用领域的企业。如专门提供工业气体与医疗气体的法国液空集团(AIRLIQUIDESA)、日本军工企业ISHIKAWAJIMAHARIMAHEAVYIND、美国空气化工产品有限公司(AIRPROD&CHEMINC)、现代集团(HYUNDAI)、工业气体供给商德国林德集团(LINDEAG)、韩国大宇造船与海洋工程有限公司(DAEWOOSHIPBUILDING&MARINEENGCOLTD)、英国同业布林氏氧气公司(BOCGROUPPLC,已被德国林德集团并购)等。

表3 LNG阀门的主要专利权人

    基于专利权人IPC共现关系的竞争态势分析结果(图8)表明,上述工业气体供应商间的竞争关系也最强。

图8 LNG阀门专利权人间的竞争态势(关系图)

    3.4 技术引导者分析

    专利的被引情况可以在一定程度上反映被引用专利权人在该技术领域的领先程度。通过LNG低温阀门领域的高被引专利权人(如表4所示),我们可以看出,美国空气化工产品有限公司、法国液空集团以及德国林德集团在该领域的绝对优势。其他高被引专利权人还包括德国梅塞尔集团(优质钢加强料、环保技术、氯化氫、截止阀以及乙炔制造商)、三菱重工、加拿大联碳公司(UNIONCARBIDECANADALTD)等。

表4 LNG低温阀门领域的高被引专利权人

    3.5 研究团队分析

    本研究专利数据集中的主要发明人如表5所示。需要特别说明的是,因为姓名简写问题极有可能造成数据的不唯一性。通过发明人的共现关系(如图9所示)不仅可以在一定程度上克服这一问题,而且还可以发现该领域的主要研究团队。

表5 LNG低温阀门领域的主要发明人

图9 LNG低温阀门专利发明人的合作关系

    拥有专利数量最多的俄国LARIONOV军事大学的KirillovNikolayG.,他的专利主要集中于与斯特林发动机(StirlingMachine)相关的技术。其次为中国寰球化学工程公司的LIY(李艳辉),主要为LNG的装卸技术,位于其后的BaiG(白改玲)、WANGH(王红),ANX(安小霞)以及SONGY(宋媛灵)均与其来自同一家企业(如图9所示)。另一较大的研究团队是大宇造船与海洋工程公司YOUNGSM等人所在的团队。

    3.6 利益相关者分析

    本研究中的利益相关者,指通过共专利权而形成的利益团体。LNG低温阀门领域的主要利益团体如图10所示。通过图10可以发现该领域通过共专利权而形成的两个较大的利益团体:一个是通过德国梅塞尔集团与法国液空而形成的利益团体,甚至包括了著名航空公司DAIMLER-BENZAEROSPACEAG(DEUTAEROSPACEAG);另一个则是通过住友重工而形成的利益团体,包括住友重工相关企业、CHUBUDENRYOKUKK、CENTJAPANRAILWAYCO等企业。其他小型利益团队中包括了中海油所在团体、中国国际海运集装箱有限公司所在团体、日本平田阀门株式会社所在团体以及法国低温星所在团体等。

图10 LNG低温阀门领域的主要利益团体

    4 LNG低温阀门领域相关标准

    从标准文献数据集来看,目前LNG低温闸阀球阀、截止阀、止回阀、蝶阀及安全阀等,已经走上了标准化发展的道路,每一种阀门都有其相应的标准,其中涉及闸阀、止回阀、船载阀的相关标准较多,相关标准如表6所示。目前,比较通用的国际设计和制造标准共有31项,主要包括BS6364、ASMEB16.34、NFM51-002-2007、MSSSP-134、SHELLSPE77/200,比较通用的国内设计与制造标准主要有GBT24925—2010;比较通用的国际检验与实验标准共有8项,包括BSEN12567—2000、BS6364、ISO15848等。

    通过对标准项目的细分可以发现,因为LNG超低温阀门的工作温度极低,因此在设计这类阀门时,除了应遵循一般阀门的设计原则外,还有一些特殊的要求。因此,在LNG阀门标准中也对阀门的材料、防火防静电、阀杆设计以及阀门测试中温度、压力提出了要求,其中涉及阀门材料、密封材料、低温处理和阀门结构设计的标准较多。目前,低温阀门主要选用奥氏体不锈钢,密封材料主要用的聚三氟氯乙烯(PCTFE),法兰连接处及填料函选用石墨材料。

表6 LNG产品相关技术标准

    5 LNG低温阀门技术的发展趋势

    5.1 阀门材料越来越成熟

    LNG阀门正常工作温度约-163℃,在此温度下,一般阀门用的材料强度和硬度升高,塑性和韧性大幅下降,这会严重影响阀门的安全性,超低温下能够保证阀门安全性的材料成为阀门领域研究的重点。从金相学的角度出发,在低温状态下不出现低温脆性的是晶格呈现面心立方的材料是目前研究的重点,这类材料具有足够的韧性和组织稳定性,以保证在低温下不会因相变导致变形继而影响阀门的密封性,其中奥氏体不锈钢材料低温变形小,没有明显的低温冷脆临界温度,在-200℃以下,仍能保持较高的韧性,是目前阀门选用最多的材料。

    5.2 新型密封材料研究

    由于低温下橡胶材料的玻璃态转变及大多数非金属材料存在着冷脆和严重冷流现象,因此低温阀阀杆与阀体间的密封多采用填料函密封结构。目前低温填料主要有聚四氟乙烯、石棉、浸渍聚四氟乙烯石棉绳和柔性石墨等,其中由于石棉无法避免渗透性泄漏,聚四氟乙烯线膨胀系数很大、冷流现象严重,所以很少采用,而聚三氟乙烯(PCTFE)在液氦、液氧和液化天然气中不发生脆裂,不蠕变,不渗透任何气体,不助燃,是一种良好的密封聚合物,是目前采用较多的密封材料。柔性石墨是新发展起来的一种优良的密封材料,具有耐低温、耐腐蚀、自润滑、热膨胀率小及气液密封性能良好等特点,主要用于法兰连接处及填料函。

    5.3 低温处理技术

    奥氏体不锈钢作为超低温球阀的关键密封副材料在常温下处于亚稳定状态,钢从奥氏体化状态快速冷却,在较低温度下(低于Ms点)发生马氏体转变。此时,铁原子和碳原子都不能进行扩散,其转变过程仅仅是Fe的晶格发生改组,这种无扩散型相变的宏观表现即是阀门零件的尺寸变化。奥氏体不锈钢深冷处理后会发生尺寸改变,一次深冷后试样的最大变形量比较大,二次深冷后尺寸最大变形量有明显的降低。为确保马氏体的充分转变,材料精加工前宜对材料进行两次深冷处理,尽量减少阀门在使用低温条件下尺寸的改变。奥氏体不锈钢进行深冷处理后,会有效解决材料在超低温条件下形变的问题,从而保证低温阀门密封性能。

    5.4 结构设计趋势

    LNG阀门在装置中起重要的切断、止回、调节等作用,并且LNG具有易燃易爆性,因此阀门结构设计需要保证在深冷工况及易燃易爆介质下安全、密封可靠、开关灵活等要求。目前LNG阀门多采用长颈阀盖,使填料部位远离阀体中流过的介质LNG,保证填料部位的温度在0℃以上,防止因填料函部分过冷而使处在填料函部位的阀杆以及阀盖上部的零件结霜或冻结,使填料可以正常工作;对于有密闭中腔结构的阀门,由于在间歇管线或检修状态下,中腔存有的LNG可能会发生气化,导致阀门内部超压,甚至威胁到阀门的安全,为保证阀门的安全性,此类阀门要求带中腔自泄压结构,使阀门内腔压力异常超压时,实现自动泄放;由于LNG介质的易燃易爆特性,在设计LNG超低温阀门时,一般设计有防静电结构,以保证阀门的导电性;为防止LNG外泄漏,在阀体/压盖处及阀杆处引入唇式密封的密封方式,可以很好控制阀门的外泄漏。


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标签:LNG低温阀门 技术发展

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