李廣鑫 司紅濤 楊公升 廉立偉 李 蕾 張強(qiáng)強(qiáng)

海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451

0 前言

LNG(Liquefied Natural Gas)接收站中，來(lái)自LNG 運(yùn)輸船的LNG 首先通過(guò)卸料臂經(jīng)LNG 總管輸送至陸上LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)行存儲(chǔ)。LNG 溫度為－162 ℃，體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1 /600，極易蒸發(fā)。在LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)料輸送過(guò)程中，由于溫度變化，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 蒸發(fā)量急劇上升，危險(xiǎn)性大［1－3］。為防止LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)料時(shí)液位超標(biāo)、蒸發(fā)過(guò)快、儲(chǔ)罐壓力超高，需同時(shí)對(duì)LNG 儲(chǔ)罐液位、壓力、溫度進(jìn)行監(jiān)控，必要時(shí)進(jìn)行緊急關(guān)斷，避免意外發(fā)生。

全容式LNG 儲(chǔ)罐液位、壓力、溫度等參數(shù)［4－7］的監(jiān)控儀表，因需通過(guò)儲(chǔ)罐罐頂閥門(mén)進(jìn)行連接安裝及隔斷維護(hù)，故稱為罐頂儀表隔離閥。

全容式LNG 儲(chǔ)罐工藝多由國(guó)外公司設(shè)計(jì)，但從未給出罐頂儀表隔離閥具體設(shè)計(jì)參數(shù)(材質(zhì)、溫度、壓力等)，只根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行罐頂儀表隔離閥選型，無(wú)明確理論依據(jù)。實(shí)際工程設(shè)計(jì)中常選用超低溫深冷閥門(mén)(非加長(zhǎng)閥桿)或超低溫深冷閥門(mén)(加長(zhǎng)閥桿)，選型較保守。

天津LNG 儲(chǔ)罐項(xiàng)目，由日本IHI 公司作為第三方進(jìn)行審查，該公司推薦選用超低溫深冷閥門(mén)方案。根據(jù)BS 6364－1984《低溫閥門(mén)》(以下簡(jiǎn)稱BS 6364－1984)要求，超低溫深冷閥門(mén)需要做低溫測(cè)試，測(cè)試溫度－196 ℃，測(cè)試介質(zhì)為液氮及氦氣［8］。超低溫深冷閥門(mén)需進(jìn)口采辦，測(cè)試成本高，制造周期長(zhǎng)，因此有必要對(duì)罐頂儀表隔離閥選型進(jìn)行優(yōu)化。以全容式LNG 儲(chǔ)罐罐頂儀表隔離閥為研究對(duì)象，分析儲(chǔ)罐罐頂儀表隔離閥功能原理，結(jié)合LNG 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)、LNG 儲(chǔ)罐罐頂管嘴設(shè)計(jì)、儀表罐內(nèi)護(hù)管設(shè)計(jì)、超低溫深冷閥門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)要求及罐頂儀表操作維修工藝，對(duì)LNG 儲(chǔ)罐罐頂儀表隔離閥選型進(jìn)行深入分析研究，找出罐頂儀表隔離閥選型的理論依據(jù)。據(jù)此，天津LNG 儲(chǔ)罐項(xiàng)目未采用日本IHI 公司的推薦方案，而選用非低溫奧氏體不銹鋼閥門(mén)，運(yùn)行良好。

1 儲(chǔ)罐儀表及控制系統(tǒng)分析

1.1 儲(chǔ)罐儀表及控制系統(tǒng)功能、要求

LNG 儲(chǔ)罐運(yùn)行期間危險(xiǎn)性最大的事故是翻滾，翻滾會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)瞬間產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣，使儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，如不及時(shí)通過(guò)安全閥排放，會(huì)造成儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)性損傷。

根據(jù)NFPA 59 A－2009《液化天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》要求，LNG 儲(chǔ)罐還應(yīng)設(shè)置液位控制、溫度控制、壓力控制、內(nèi)罐泄漏監(jiān)控、緊急關(guān)斷、密度檢測(cè)儀表等儀表及控制系統(tǒng)。

典型LNG 儲(chǔ)罐儀表管嘴、儀表隔離閥連接示意圖見(jiàn)圖1，儲(chǔ)罐儀表管嘴功能說(shuō)明見(jiàn)表1。

圖1 典型LNG 儲(chǔ)罐儀表管嘴、儀表隔離閥連接示意圖

表1 儲(chǔ)罐儀表管嘴功能說(shuō)明

1.2 低溫閥門(mén)與儀表管嘴結(jié)構(gòu)分析

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫閥門(mén)結(jié)構(gòu)的要求

工程中低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要為BS 6364－1984 和MSS SP－134－2006《對(duì)低溫閥門(mén)及其閥體/閥蓋加長(zhǎng)體的要求》(以下簡(jiǎn)稱MSS SP－134－2006)。

1.2.1.1 BS 6364－1984 對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)的要求

為防止低溫介質(zhì)凍住閥桿填料，導(dǎo)致閥門(mén)不能正常操作，BS 6364－1984 要求“低溫閥門(mén)設(shè)置加長(zhǎng)的閥蓋/填料壓套，加長(zhǎng)的長(zhǎng)度應(yīng)足以使閥桿填料的溫度保持在允許操作的填料材料的公稱溫度范圍內(nèi)”，并給出了冷箱式閥門(mén)閥桿的最小增加長(zhǎng)度要求，帶加長(zhǎng)閥桿或填料壓蓋的閥門(mén)見(jiàn)圖2。

1.2.2.2 MSS SP－134－2006 對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)的要求

MSS SP－134－2006 規(guī)定“閥門(mén)上應(yīng)有一個(gè)閥體/閥蓋加長(zhǎng)體，以使閥桿填料和閥門(mén)操作機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離閥體/閥蓋加長(zhǎng)體內(nèi)的低溫介質(zhì)。閥體/閥蓋加長(zhǎng)體應(yīng)足夠長(zhǎng)以提供絕緣氣柱，防止填料區(qū)域和操作裝置凍結(jié)”。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)還給出了非冷箱結(jié)構(gòu)閥門(mén)加長(zhǎng)閥桿的長(zhǎng)度，典型的上螺紋帶支架低溫閘閥加長(zhǎng)閥桿結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，閥體/閥蓋加長(zhǎng)體的長(zhǎng)度見(jiàn)表2［9］。

圖2 帶加長(zhǎng)閥桿或填料壓蓋的閥門(mén)

圖3 典型的上螺紋帶支架低溫閘閥加長(zhǎng)閥桿結(jié)構(gòu)

表2 閥體/閥蓋加長(zhǎng)體的長(zhǎng)度 mm

1.2.2 閥門(mén)滴盤(pán)

為保證低溫閥門(mén)的操作溫度，工程設(shè)計(jì)中要求低溫閥門(mén)設(shè)置滴盤(pán)，滴盤(pán)增加換熱面積，保證閥門(mén)通過(guò)低溫介質(zhì)時(shí)，閥桿填料處在環(huán)境溫度，典型低溫閥門(mén)見(jiàn)圖4。滴盤(pán)設(shè)計(jì)在各低溫閥門(mén)制造廠已是成熟產(chǎn)品，不同廠家的滴盤(pán)設(shè)計(jì)大小及位置略有不同。

圖4 典型低溫閥門(mén)

1.2.3 管嘴及罐內(nèi)護(hù)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以伺服液位計(jì)為例，伺服液位計(jì)護(hù)管上端連接到操作平臺(tái)上儀表管嘴法蘭，下端延伸到儲(chǔ)罐底部，典型護(hù)管見(jiàn)圖5。儲(chǔ)罐內(nèi)甲板上部，護(hù)管表面留有多個(gè)小孔，維持壓力平衡，使浮子能夠隨液位變化而上下移動(dòng)，測(cè)量液位高度。

圖5 典型護(hù)管

儀表操作平臺(tái)下需設(shè)置氮?dú)夂蛢x表氣管線，考慮焊接施工要求，操作平臺(tái)宜高出混凝土穹頂1 m 以上，管嘴法蘭宜高出平臺(tái)300 mm 以上，此段管線高出混凝土穹頂1.3 m 以上。

在混凝土穹頂外，護(hù)管用筋板加固，筋板表面積大于閥門(mén)滴盤(pán)面積，起到類似滴盤(pán)散熱作用。

儲(chǔ)罐內(nèi)罐設(shè)計(jì)溫度－165 ℃(介質(zhì)為L(zhǎng)NG)，外罐設(shè)計(jì)溫度－15 ℃(介質(zhì)為L(zhǎng)NG 的蒸發(fā)氣)，內(nèi)罐和外罐之間，有1 m 厚絕熱保護(hù)層。高出儲(chǔ)罐罐頂混凝土穹頂部分管線不需進(jìn)行保冷。

1.2.4 分析

對(duì)加長(zhǎng)閥體/閥蓋結(jié)構(gòu)分析:儀表護(hù)管設(shè)計(jì)中，管內(nèi)的絕緣氣柱(不流動(dòng)的天然氣)長(zhǎng)度為4 m 以上(外罐護(hù)管管道長(zhǎng)度均值3 m 以上)，遠(yuǎn)大于6″球閥加長(zhǎng)閥蓋的長(zhǎng)度，加長(zhǎng)閥蓋的長(zhǎng)度為0.425 m(表2)，已超出MSS SP－134－2006 對(duì)低溫閥門(mén)加長(zhǎng)閥蓋長(zhǎng)度的規(guī)定，滿足使用要求。

對(duì)滴盤(pán)結(jié)構(gòu)分析:護(hù)管四周焊接不銹鋼加強(qiáng)筋，換熱面積大于滴盤(pán)，能夠代替滴盤(pán)的熱交換作用，防止填料區(qū)域和操作裝置凍結(jié)。

因此，儀表護(hù)管管嘴設(shè)計(jì)，完全能替代或超越低溫閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閥門(mén)結(jié)構(gòu)的要求。無(wú)需對(duì)閥門(mén)進(jìn)行加長(zhǎng)閥體/閥蓋及增加滴盤(pán)設(shè)計(jì)。

管嘴的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力分析:

1)以圖1 為例，對(duì)于K 3K 4K 1AK 1B 管嘴，其護(hù)管穿過(guò)罐內(nèi)吊頂，儲(chǔ)罐外罐設(shè)計(jì)溫度最低為－15.4 ℃，設(shè)計(jì)壓力為29 kPa。

2)閥門(mén)直接與儀表相連，完全暴露在空氣中，管道內(nèi)為不流通氣體介質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷熱導(dǎo)率為0.030 24［10］，熱阻較大，不流通的甲烷氣體起到絕熱隔離作用，儲(chǔ)罐外管道及閥門(mén)與外界進(jìn)行熱交換，熱平衡后可認(rèn)為管道及閥門(mén)溫度為環(huán)境溫度。

綜上，儀表處于穩(wěn)定工況下，根據(jù)ASME B 16.34－2009《法蘭、螺紋和焊連接的閥門(mén)》(以下簡(jiǎn)稱ASME B 16.34－2009)中閥門(mén)溫壓曲線，設(shè)計(jì)溫度－29 ℃，設(shè)計(jì)壓力1.96 MPa［11］規(guī)定，閥門(mén)材料可選用碳鋼。

2 罐頂儀表隔離閥操作維修工藝

操作維修時(shí)，罐頂儀表隔離閥內(nèi)部會(huì)有流動(dòng)氣態(tài)介質(zhì)，若保證流動(dòng)氣態(tài)天然氣介質(zhì)溫度在外罐溫度－15 ±10 ℃，此閥門(mén)可選擇碳鋼閥門(mén)。為保證閥門(mén)操作溫度(以伺服液位計(jì)為例)，可進(jìn)行如下操作工藝步驟:

1)啟動(dòng)預(yù)裝在閥門(mén)上部的電機(jī)，將護(hù)管內(nèi)漂浮在LNG 表面浮子收回到外罐。

2)浮子在外罐內(nèi)停留足夠長(zhǎng)時(shí)間(4 h 以上)，經(jīng)傳熱使浮子和外罐溫度一致或接近為止，約－15 ℃。

3)繼續(xù)啟動(dòng)電機(jī)，將浮子收回并高于閥門(mén)。

4)停留1 h，待傳熱為環(huán)境溫度時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)。

5)卸下閥門(mén)上部連接儀表，取出浮子進(jìn)行維修。

6)維修后，連接儀表，打開(kāi)閥門(mén)，啟動(dòng)電機(jī)，放下浮子。

3 閥門(mén)材料選擇

溫壓曲線是閥門(mén)材料選擇的依據(jù)，根據(jù)ASME B 16.34－2009 中溫壓曲線規(guī)定，碳鋼閥門(mén)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)下閥門(mén)最低溫度－29 ℃，壓力1.96 MPa;非低溫奧氏體不銹鋼閥門(mén)，標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)下閥門(mén)溫度－196 ℃時(shí)，壓力1.9 MPa。材料溫壓等級(jí)見(jiàn)表3。

表3 材料溫壓等級(jí)

在穩(wěn)定工況下，閥門(mén)材料可選用碳鋼。若考慮極端工況(例如儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 蒸發(fā)氣通過(guò)閥門(mén)大量外漏)、操作工沒(méi)有按照工藝要求進(jìn)行操作，閥門(mén)瞬間通過(guò)低溫氣態(tài)天然氣(－162 ℃)，閥體、閥球、閥蓋等材質(zhì)可選擇奧氏體不銹鋼316 或304，閥座內(nèi)密封可采用耐低溫材料PCTFE。即閥門(mén)材料選擇與低溫閥門(mén)一致，但不做－196 ℃下低溫試驗(yàn)，不用加長(zhǎng)閥蓋，不加滴盤(pán)，無(wú)需遵守BS 6364－1984 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，閥門(mén)亦完全滿足耐低溫要求。極端工況處理完畢，關(guān)閉閥門(mén)后，閥門(mén)仍可正常使用無(wú)損壞，滿足設(shè)計(jì)要求。

天津LNG 儲(chǔ)罐項(xiàng)目根據(jù)儲(chǔ)罐外罐設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力及ASME B 16.34－2009 標(biāo)準(zhǔn)中閥門(mén)溫壓曲線對(duì)材料的要求，選用非低溫奧氏體不銹鋼閥門(mén)，應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，此閥門(mén)及管線外表面未結(jié)冰，溫度與環(huán)境溫度相同，理論分析與實(shí)際應(yīng)用吻合。

4 結(jié)論

1)本文以全容式LNG 儲(chǔ)罐罐頂儀表隔離閥為研究對(duì)象，分析了標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超低溫深冷閥門(mén)的結(jié)構(gòu)要求，及LNG 儲(chǔ)罐罐頂管嘴和護(hù)管設(shè)計(jì)，并考慮操作維修工藝，找出LNG 儲(chǔ)罐罐頂儀表隔離閥選型理論依據(jù)，得出LNG儲(chǔ)罐罐頂儀表隔離閥可選用碳鋼閥門(mén)或極端工況下選用非低溫奧氏體不銹鋼閥門(mén)的結(jié)論。

2)穩(wěn)定工況下，閥門(mén)內(nèi)部無(wú)流通介質(zhì)，閥門(mén)設(shè)計(jì)溫度可考慮為環(huán)境溫度，碳鋼閥門(mén)滿足設(shè)計(jì)要求。極端工況下，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 蒸發(fā)氣通過(guò)閥門(mén)排放到大氣中，非低溫奧氏體不銹鋼閥門(mén)耐低溫，滿足設(shè)計(jì)要求，閥門(mén)無(wú)需進(jìn)行加長(zhǎng)桿設(shè)計(jì)、滴盤(pán)設(shè)計(jì)、低溫測(cè)試，無(wú)需遵守BS 6364－1984 標(biāo)準(zhǔn)，僅需進(jìn)行常溫、常壓下密封試驗(yàn)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為API 598－2009《閥門(mén)的檢查和試驗(yàn)》。

3)天津LNG 儲(chǔ)罐項(xiàng)目選用非低溫奧氏體不銹鋼儀表隔離閥，滿足設(shè)計(jì)要求，節(jié)省了費(fèi)用，縮短了采辦周期。

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［8］BS 6364－1984，Specification for Valves for Cryogenic Service［S］.

［9］MSS SP－134－2006，Valves for Cryogenic Service Including Requirements for Body/Bonnet Extensions［S］.

［10］全國(guó)勘查設(shè)計(jì)注冊(cè)工程師公用設(shè)備專業(yè)管理委員會(huì)秘書(shū)處.全國(guó)勘查設(shè)計(jì)注冊(cè)公用設(shè)備工程師動(dòng)力專業(yè)執(zhí)業(yè)資格考試教材［M］.3 版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013:515－515.Professional Management Committee Secretary of the National Exploration and Design Registered Utilities Engineer. Power Professional Qualification Examination Materials of the National Exploration and Design Registered Utilities Engineer［M］. 3rd ed. Beijing:China Machine Press，2013:515－515.

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