馬 靜，程樂明，馬江山

(新地環(huán)保技術(shù)有限公司，河北 廊坊 065001)

天然氣在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善大氣環(huán)境、控制溫室氣體排放等方面發(fā)揮著重要作用。在能源日趨緊張的情況下，全球天然氣的生產(chǎn)和貿(mào)易日趨活躍，逐漸成為世界油氣工業(yè)新的熱點(diǎn)[1]。在國內(nèi)，天然氣市場供不應(yīng)求，市場需求快速增長。隨著資源的落實(shí)、技術(shù)的進(jìn)步以及應(yīng)于市場需求，我國天然氣產(chǎn)業(yè)進(jìn)入迅速發(fā)展階段。在國際石油價格不斷波動的時代背景下，在我國大力發(fā)展天然氣產(chǎn)業(yè)，有助于實(shí)現(xiàn)能源多元化，保障能源供應(yīng)充足，同時天然氣行業(yè)的快速發(fā)展，是天然氣消費(fèi)需求快速增長的有力保障，為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

天然氣工藝流程復(fù)雜，設(shè)備昂貴，正確選擇自動化儀表，應(yīng)用成熟可靠的控制方案，才能確保天然氣裝置的穩(wěn)定運(yùn)行和人身設(shè)備安全。天然氣的分子量小，黏度低，滲透性強(qiáng)，易于泄露和擴(kuò)散，在其凈化、液化、貯存等裝置中，特殊工況下的閥門對其系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行具有極其重要的作用。天然氣裝置中配備的特殊閥門從參考標(biāo)準(zhǔn)、材料選擇、結(jié)構(gòu)形式、試驗檢驗等方面有很多特殊的要求。本文針對于天然氣深冷工況和頻繁開關(guān)工況，分別對深冷閥門和軌道球閥進(jìn)行了深入的闡述。

開采出的天然氣經(jīng)脫碳、脫水、液化等工序形成LNG，天然氣在約-162 ℃低溫下由氣體變化為LNG，且1 m3的LNG體積是同等標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣態(tài)天然氣的625倍，因此LNG的貯存和運(yùn)輸更加方便，同時會節(jié)約大量成本。其工藝流程如圖1所示。當(dāng)介質(zhì)溫度低于-70 ℃時為深冷工況。在天然氣凈化液化過程中，流程③、④、⑤(圖1所示)大多為深冷工況，主要深冷介質(zhì)包括：LNG、重?zé)N、乙烯等。LNG系統(tǒng)設(shè)備中深冷閥門作為配套設(shè)施，對LNG項目正常、安全可靠的運(yùn)行具有極其重要的作用。

圖1 天然氣凈化液化裝置工藝流程示意圖

此外，在圖1流程②天然氣脫水中，分子篩用于天然氣的脫水，達(dá)到凈化氣體，降低氣體中水含量以滿足后續(xù)裝置運(yùn)行的工藝流程。用于切換分子篩的開關(guān)閥要求頻繁開關(guān)(8小時)且強(qiáng)制密封，否則天然氣中水分脫不干，接下來進(jìn)入冷箱會結(jié)冰、凍堵，進(jìn)而撐爆冷箱，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

1 深冷閥門

由于LNG具有易燃性和易爆性，且工作在約-162 ℃的深冷工況下，LNG低溫閥門的選型設(shè)計應(yīng)符合更高的技術(shù)要求，除了滿足一般的閥門設(shè)計原則外，還需遵循在深冷、易燃易爆及含有固體顆粒介質(zhì)下密封可靠、開關(guān)靈活等要求。

1.1 結(jié)構(gòu)形式

低溫閥門與普通閥門的不同之處主要體現(xiàn)在采用長頸型的上閥蓋[2]，如圖2所示。加長閥蓋的設(shè)計，使流體介質(zhì)和填料之間形成一個過渡的空腔，閥桿處于一個梯度溫度場內(nèi)，以保護(hù)填料處在正常工作溫度內(nèi)，防止因填料函部分過冷而使閥桿和閥蓋上部的零件凍結(jié)，保證閥門在深冷工況下仍具備可操作性。

圖2 深冷閥門結(jié)構(gòu)圖

另外，LNG的深冷閥門大都采用頂裝式結(jié)構(gòu)，以減少螺栓連接點(diǎn)，進(jìn)而減少泄露點(diǎn)，頂裝式閥門的閥體是一體化結(jié)構(gòu)，可直接在線對閥門進(jìn)行維修和更換閥內(nèi)件。并且，閥門與管線以焊接方式連接，不存在潛在的外漏渠道。

1.2 閥門材料

LNG深冷閥門的工作溫度約-162 ℃，在此溫度下，常規(guī)閥門用的金屬材料會發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象，即硬度升高，韌性大幅下降，嚴(yán)重影響閥門的安全性。綜合材料的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，奧氏體不銹鋼材料低溫變形小，在-200 ℃的溫度下，仍能保持較好的韌性，無冷脆，是目前低溫閥門應(yīng)用最為廣泛的材料。

奧氏體不銹鋼在較低溫度下發(fā)生馬氏體變化，宏觀上表現(xiàn)為閥門零件的尺寸變化，零件局部表面鼓起，使閥門的密封性和可操作性受到嚴(yán)重的影響。為了消除這種體積上的變化，需要閥體、閥蓋、閥座和閥桿等部件進(jìn)行低溫深冷處理，一般按照英國標(biāo)準(zhǔn)BS 6364進(jìn)行制造與測試，使得奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體即變形充分后再進(jìn)行精加工，以降低溫度對深冷閥門密封性能的影響[3]。

1.3 填料密封

基于LNG易燃、易爆的特性，防止LNG泄露非常關(guān)鍵[4]。閥桿密封泄露是主要的潛在外泄漏源，深冷閥門的閥桿通常采用填料密封。目前，常用的填料有：PTFE(聚四氟乙烯)、石棉及柔性石墨等。在低溫條件下，石棉無法避免滲透性泄露，PTFE的冷流現(xiàn)象嚴(yán)重，而柔性石墨在低溫高壓情況下壓縮率和回彈性有所下降。聚三氟乙烯(PCTFE)在液化天然氣中不發(fā)生脆裂，不蠕變，不滲透任何氣體，不助燃，是一種良好的密封聚合物，是低溫工況下，目前采用較多的密封材料[5]。

1.4 清潔處理

深冷閥門內(nèi)件的清潔是影響閥門性能的關(guān)鍵步驟。通常情況下，閥門的壓力試驗以水為介質(zhì)，在閥腔內(nèi)存在水、油脂或其他雜質(zhì)的情況下，低溫工況下會凝結(jié)為固體，閥門的啟閉會導(dǎo)致刮傷密封面或閥桿，引起閥門泄露。因此閥門必須脫油脫脂，且水壓試驗后清潔閥門。

另外，為了減少泄露，深冷閥門與管道之間的連接方式均為焊接。焊接后，管道內(nèi)會殘留大量的焊渣。這些雜質(zhì)會對閥門密封面造成嚴(yán)重的破壞，因此必須采用吹掃的方法將管道內(nèi)的所有雜質(zhì)清理干凈。

綜上所述，在深冷工況下，閥門通常采用長頸型閥蓋，材料可選用奧氏體不銹鋼，且對閥體、閥桿、閥座、閥蓋等部位進(jìn)行深冷處理后進(jìn)行精加工。閥桿采用填料密封，填料可采用聚三氟乙烯。深冷閥門大都采用頂裝式結(jié)構(gòu)，與管線焊接，操作前要進(jìn)行徹底的清潔處理。

2 軌道球閥

天然氣凈化裝置的分子篩系統(tǒng)，用于天然氣的脫水，達(dá)到降低天然氣中水含量的目的，從而滿足后續(xù)裝置運(yùn)行的工藝流程。用于切換分子篩的球閥，操作上頻繁開關(guān)，且對其密封性要求高，否則天然氣中水分脫不干，接下來進(jìn)入冷箱會導(dǎo)致結(jié)冰、凍堵，進(jìn)而撐爆冷箱，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.1 閥門結(jié)構(gòu)

圖3 軌道球閥結(jié)構(gòu)圖

軌道球閥可以很好的解決這一問題。頻繁開關(guān)的工況下，普通球閥的球體在啟閉過程中始終與閥座接觸，密封面磨損嚴(yán)重，易泄露，使用壽命低，而軌道球閥克服了上述球閥的缺點(diǎn)。軌道球閥適用于開關(guān)頻繁、長期保持良好密封、不允許經(jīng)常性停車維修和更換閥門的苛刻工況。

軌道球閥結(jié)構(gòu)由閥體、閥球、閥座、閥蓋、閥桿、閥桿導(dǎo)銷和閥球銷釘?shù)炔考M成。閥桿上部設(shè)有S型導(dǎo)槽，閥桿下端為前后平行的楔形面，如圖3所示。

軌道球閥采用單閥座結(jié)構(gòu)，閥桿下部楔形面提供了機(jī)械的預(yù)緊力，以保證持續(xù)的強(qiáng)制密封。閥桿的密封采用可調(diào)注入式盤根，以便在系統(tǒng)不停車的狀態(tài)下調(diào)整盤根壓力，防止外漏。閥球耳軸的底部形狀、閥球密封面及閥座密封面在同一圓周表面上，以保證閥球在壓向閥座時，各個部位的壓力均勻一致，且閥球密封面同時接觸或離開閥座。

2.2 工作原理

為了實(shí)現(xiàn)無摩擦的操作過程，軌道球閥開啟時，閥桿首先提升，閥座、閥球脫離，而后閥桿驅(qū)動閥球旋轉(zhuǎn)到開啟位置；關(guān)閉閥門時，閥桿帶動閥球在不接觸閥座的情況下旋轉(zhuǎn)，而后閥桿下降，壓迫閥球壓緊在閥座上。其具體的操作過程如下：

閥門開啟：逆時針旋轉(zhuǎn)閥門手輪，閥桿上升，閥桿導(dǎo)銷與閥桿S型導(dǎo)槽的直行程段配合，限制閥桿僅作直線上升運(yùn)動，閥桿下端楔形面與閥球銷釘配合，使閥球與閥座脫離，保證一定的間隙。閥桿繼續(xù)上升，閥桿導(dǎo)銷與閥桿S型導(dǎo)槽曲線行程段配合，使閥桿旋轉(zhuǎn)90°，此時閥桿下端楔形面與閥球銷釘配合，帶動閥球做90°旋轉(zhuǎn)，流道打開，在旋轉(zhuǎn)的過程中，由于閥球、閥座不接觸，故其密封面不存在摩擦。

閥門關(guān)閉：順時針旋轉(zhuǎn)閥門手輪，閥桿楔形面與閥球銷釘配合，帶動閥芯90°旋轉(zhuǎn)，此時閥球的密封面與閥座正相對，閥桿繼續(xù)下降，閥桿導(dǎo)銷與閥桿S型導(dǎo)槽的直行程段配合，限制閥桿做直線下降運(yùn)動，閥桿下端的楔形面與銷釘配合，帶動閥球壓緊閥座，流道關(guān)閉，閥桿繼續(xù)下降，對密封面施加強(qiáng)制密封力[6]，從而保證閥門滿足相應(yīng)的泄露等級要求。

2.3 閥門特點(diǎn)

軌道球閥開關(guān)的過程中，旋轉(zhuǎn)動作發(fā)生在閥球密封面與閥座脫離一定的間隙之后，因此開關(guān)過程中密封面無摩擦，有效的解決了密封面磨損問題，大大提高了開關(guān)次數(shù)，延長了閥門的使用壽命。由于軌道球閥的閥球轉(zhuǎn)動是通過閥桿和閥球上的銷釘配合，該部分處于閥腔中，是摩擦較大的部位。若介質(zhì)臟污，會使其中的雜質(zhì)沉積，關(guān)閉閥門時，雜質(zhì)易夾在密封面之間，造成密封面損壞。因此軌道球閥不宜在介質(zhì)含固顆粒下選用。天然氣分子篩的介質(zhì)中含有粉塵，硬度低、粒徑小，不同于固體顆粒，軌道球閥適用該工況。

3 結(jié) 論

由于天然氣具有易燃、易爆及易泄露等特點(diǎn)，國內(nèi)外對天然氣特殊工況下配套閥門的安全性、可靠性及密封性等提出更高的要求，故其在材料選用、設(shè)計結(jié)構(gòu)及安裝方式等方面應(yīng)滿足更高的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。本文對天然氣凈化液化項目中常用的深冷閥門和軌道球閥的結(jié)構(gòu)、性能作了深入說明，給出了相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，探討了天然氣深冷閥門和軌道球閥在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面與普通閥門的區(qū)別。