張周衛(wèi) 李 河 汪雅紅 李 躍 郭舜之 趙 麗

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

LNG止回閥低溫應(yīng)用解決方案*

張周衛(wèi)**1,2李 河1汪雅紅1,2李 躍1郭舜之1趙 麗1

(1.蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院；2.甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司)

針對(duì)傳統(tǒng)止回閥在輸送低溫易燃流體時(shí)存在的不易安全控制、無(wú)法雙向?qū)?、密封泄漏、體積大及設(shè)計(jì)笨重等問(wèn)題，根據(jù)-162℃LNG低溫輸運(yùn)的特點(diǎn)，給出了LNG止回閥在低溫工況下的解決方案。

LNG止回閥 壓力調(diào)節(jié)閥 設(shè)計(jì)壓力 兩相流 解決方案

在傳統(tǒng)的流體控制領(lǐng)域中，成套工藝流程常用的過(guò)程控制閥門(mén)種類(lèi)、數(shù)量眾多。其中止回閥作為主要的通斷閥門(mén)之一，具有可單向止回、流動(dòng)阻力小、閥門(mén)不易阻塞、控制流量大及控制方便等特點(diǎn)[1]。但由于傳統(tǒng)的止回閥存在密封面大、密封面多及易泄漏等缺點(diǎn)，無(wú)法應(yīng)用于低溫易燃流體領(lǐng)域，尤其是-162℃LNG領(lǐng)域中[2]，極大地限制了LNG止回閥的發(fā)展與應(yīng)用。為此，筆者針對(duì)傳統(tǒng)低溫LNG止回閥存在的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的解決方案，以提高管道內(nèi)LNG過(guò)程控制效率，降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，縮小止回閥體積，提高LNG止回閥和LNG輸送系統(tǒng)的安全性。

1 LNG止回閥應(yīng)用于低溫領(lǐng)域時(shí)存在的問(wèn)題

目前，傳統(tǒng)LNG止回閥在-162℃LNG領(lǐng)域中應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題主要有：

a. 當(dāng)止回閥關(guān)閉后，管道兩側(cè)的LNG均易汽化。由于LNG自增壓會(huì)使管道內(nèi)壓增大，給閥門(mén)帶來(lái)安全隱患，所以當(dāng)止回閥應(yīng)用于低溫LNG領(lǐng)域時(shí)，在閥門(mén)關(guān)閉后必須要具有雙向?qū)ǖ陌踩饔?，而傳統(tǒng)低溫止回閥并不具備此功能。

b. LNG汽化后的主要成分為CH4，為易燃易爆氣體。同時(shí)，傳統(tǒng)的低溫止回閥密封面較大，而密封面在閥門(mén)啟閉過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，容易引起密封脫落，造成介質(zhì)泄漏。尤其在-162℃低溫工況下，密封墊片和密封面直接與LNG接觸，密封材料容易出現(xiàn)低溫脆斷的現(xiàn)象，導(dǎo)致密封面被破壞進(jìn)而造成泄漏，因此存在很大的安全隱患，尤其對(duì)于易燃易爆氣體來(lái)說(shuō)，其危險(xiǎn)性更大。

c. LNG為低溫流體，在輸送過(guò)程中管道內(nèi)容易出現(xiàn)兩相流。而當(dāng)兩相流遇到止回閥突然截止時(shí)，容易導(dǎo)致管道內(nèi)剩余LNG壓力劇增并過(guò)臨界，給整個(gè)系統(tǒng)造成極大的安全隱患。

2 解決方案及其原理

針對(duì)低溫LNG止回閥在應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題，筆者提出了具體的解決方案并介紹了方案原理[3,4]。

首先，應(yīng)用LNG自增壓原理，確保管道兩側(cè)的壓力平衡。當(dāng)LNG止回閥(圖1)突然關(guān)閉并單向截止LNG輸運(yùn)時(shí)，外界環(huán)境會(huì)提供熱源并不斷加熱管道兩側(cè)的LNG。當(dāng)管道兩側(cè)的LNG受熱后，飽和溫度升高，飽和壓力升高，自增壓開(kāi)始并很快超過(guò)管道安全輸送壓力和設(shè)計(jì)壓力。所以，根據(jù)LNG止回閥需要單向密封、單向止回、雙向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)，在閥瓣(圖2)處沿徑向設(shè)置兩個(gè)單向?qū)ǖ膲毫φ{(diào)節(jié)閥門(mén)(圖3)，并根據(jù)LNG管道流程的具體要求，設(shè)置調(diào)節(jié)各自的控制壓力，使閥門(mén)止回后能夠根據(jù)管道內(nèi)LNG自增壓的大小自動(dòng)雙向?qū)ü艿纼蓚?cè)LNG，控制閥門(mén)兩側(cè)管道的壓力平衡，易于反流控制，起到既單向止回又雙向?qū)ǖ陌踩刂菩в?。其中，?壓力調(diào)節(jié)閥和第2壓力調(diào)節(jié)閥可通過(guò)調(diào)節(jié)閥閥體焊接于閥瓣通孔內(nèi)，且兩個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥出口均向左，進(jìn)口均與右側(cè)LNG主流接通。當(dāng)管道右側(cè)壓力由于右側(cè)LNG自增壓增高，達(dá)到第1壓力調(diào)節(jié)閥和第2壓力調(diào)節(jié)閥控制壓力時(shí)，第1壓力調(diào)節(jié)閥和第2壓力調(diào)節(jié)閥均打開(kāi)，LNG排入止回閥左側(cè)；當(dāng)左側(cè)壓力由于左側(cè)LNG自增壓增高后，LNG推動(dòng)閥瓣帶動(dòng)搖桿繞搖桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)并打開(kāi)閥門(mén)，使左側(cè)LNG流入右側(cè)，閥門(mén)兩側(cè)壓力導(dǎo)通并達(dá)到平衡，以此可有效避免由非正常操作等原因引起的LNG管道內(nèi)自增壓造成的危害。當(dāng)壓力調(diào)節(jié)閥工作時(shí)，LNG自右側(cè)調(diào)節(jié)閥閥座頂部通孔進(jìn)入閥座與閥體之間的環(huán)形通道，并作用于調(diào)節(jié)閥閥桿錐形密封面，當(dāng)壓力大于調(diào)節(jié)閥彈簧設(shè)定的預(yù)緊壓力時(shí)，推動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥桿，帶動(dòng)調(diào)節(jié)閥閥蓋一起向左運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)閥打開(kāi)并泄放LNG；當(dāng)壓力小于調(diào)節(jié)閥彈簧設(shè)定的預(yù)緊壓力時(shí)，調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉，以此調(diào)節(jié)壓力。兩個(gè)壓力調(diào)節(jié)閥的設(shè)定壓力可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行設(shè)定，閥蓋與閥桿之間的彈簧預(yù)緊力調(diào)節(jié)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥閥蓋并改變調(diào)節(jié)閥彈簧預(yù)緊高度的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 LNG止回閥

圖2 閥瓣

圖3 壓力調(diào)節(jié)閥門(mén)

其次，在-162℃低溫工況下，由于環(huán)境熱源不斷提供熱量，管道內(nèi)極易產(chǎn)生兩相流，引起過(guò)熱沸騰，使LNG處于激烈的相變過(guò)程并伴隨壓力和溫度的突變，進(jìn)而不斷產(chǎn)生大量的過(guò)熱蒸汽、過(guò)熱液體等。LNG在管道輸運(yùn)過(guò)程中，系統(tǒng)壓力和溫度難以控制，相變過(guò)程復(fù)雜多變。管道內(nèi)LNG溫度和壓力的劇烈變化使閥門(mén)與管道連接處的法蘭密封件或密封材料極易被破壞，導(dǎo)致管道內(nèi)LNG泄漏，產(chǎn)生極大的安全隱患。所以，根據(jù)LNG低溫滲漏的特點(diǎn)，設(shè)置全焊接型閥門(mén)，以閥蓋與下閥體對(duì)焊的形式減小密封面數(shù)量。另外，由于LNG輸運(yùn)過(guò)程中存在兩相流，閥瓣處于不停的開(kāi)關(guān)振動(dòng)狀態(tài)，主密封面極易脫落，容易引起泄漏，不能有效單向止回。因此，采用密封螺釘穿透主密封圈并將主密封圈固定于閥瓣的方法，防止主密封面脫落。

最后，根據(jù)低溫預(yù)緊壓力與輸送壓力匹配的原理，解決LNG止回閥低溫工況下的安全問(wèn)題，降低閥門(mén)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力。LNG為低溫流體，管道輸送壓力一般低于0.2MPa，處于飽和或過(guò)熱狀態(tài)，因此在輸送過(guò)程中管道內(nèi)容易出現(xiàn)兩相流。當(dāng)兩相流遇到止回閥突然截止時(shí)，容易導(dǎo)致管道內(nèi)剩余LNG壓力劇增并過(guò)臨界(4.6MPa)，溫度過(guò)臨界(-82.59℃)，給整個(gè)系統(tǒng)造成極大的安全隱患。而一般的LNG止回閥或LNG系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力均大于6.0MPa，使整個(gè)LNG系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度增大，設(shè)計(jì)笨重，體積龐大。為此，筆者根據(jù)LNG易過(guò)臨界的特性，在止回閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用自增壓安全平衡技術(shù)，設(shè)置控制LNG截止的預(yù)壓力。當(dāng)預(yù)壓力超過(guò)截止設(shè)定壓力時(shí)，可通過(guò)壓力調(diào)節(jié)閥導(dǎo)通LNG，起到止回閥和安全閥的雙重功效，降低LNG止回閥和LNG輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，使閥門(mén)質(zhì)量更輕、體積更小、更便于管理[5～8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者根據(jù)LNG止回閥需要單向密封、單向止回、雙向?qū)ǖ奶攸c(diǎn)，在閥瓣處沿徑向設(shè)置了兩個(gè)單向?qū)ǖ膲毫φ{(diào)節(jié)閥門(mén)，該壓力調(diào)節(jié)閥可根據(jù)LNG管道流程的具體要求，進(jìn)行設(shè)置并調(diào)節(jié)各自的控制壓力。在止回閥關(guān)閉時(shí)，能夠有效控制閥門(mén)兩側(cè)管道的壓力平衡，易于反流控制，起到既單向止回又雙向?qū)ǖ陌踩刂菩в?，使LNG止回閥具有自動(dòng)泄壓、自動(dòng)調(diào)節(jié)和自我保護(hù)的功能。同時(shí)，固定鎖緊主密封面，設(shè)置全焊接型閥門(mén)，減小密封面數(shù)量，以最大限度地降低LNG泄漏量。最后，根據(jù)LNG易過(guò)臨界的特性，在止回閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)用自增壓安全平衡技術(shù)降低LNG止回閥和LNG輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，使閥門(mén)體積更小，安全性更高，加工制造成本更低。

[1] 陸培文.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002:1～6.

[2] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG止回閥[P].中國(guó):201410071260.8,2014-05-28.

[3] GB/T 24925-2010,低溫閥門(mén)技術(shù)條件[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

[4] JB/T 7749-1995,低溫閥門(mén)技術(shù)條件[S].北京:中華人民共和國(guó)機(jī)械工業(yè)部,1995.

[5] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG蝶閥[P].中國(guó):201410067518.7,2014-05-21.

[6] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG球閥[P].中國(guó):201410060746.1,2014-05-14.

[7] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG閘閥[P].中國(guó):201410057759.3,2014-06-04.

[8] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG截止閥[P].中國(guó):201410053777.4,2014-05-14.

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51666008)，甘肅省財(cái)政廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(214137)。

**張周衛(wèi)，男，1974年10月生，副教授。甘肅省蘭州市，730070。

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0254-6094(2016)06-0825-03

2015-11-16)