孟 新

(中海油江蘇天然氣有限責(zé)任公司 鹽城 224000)

LNG，即液化天然氣，是目前公認(rèn)的高效、安全的清潔能源之一，隨著國內(nèi)天然氣液化廠和LNG接收站的發(fā)展，已經(jīng)在工業(yè)和民用等方面表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。自2006年中海油大鵬LNG接收站建成投產(chǎn)以來，截至目前，國內(nèi)投產(chǎn)的LNG接收站已有20余座，每年整體接收能力可達(dá)到9000萬噸。LNG接收站建設(shè)已成為我國天然氣行業(yè)發(fā)展的重要一環(huán)。

LNG，作為清潔能源，無色、無味、無毒、無腐蝕性，易燃、易爆、易氣化，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625，在超低溫工藝系統(tǒng)中的正常溫度為-165℃。因此，如何在LNG存儲(chǔ)及運(yùn)輸中，保持深冷，防止非正常氣化，確保安全性，是LNG行業(yè)研究的重要課題。

超低溫閥門，具有分流、調(diào)節(jié)、截止、導(dǎo)流、溢流泄壓、防止逆流等作用，是LNG接收站中重要的管路控制元件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)大型LNG接收站項(xiàng)目(規(guī)模不小于300萬噸/年)，超低溫閥門的使用量能夠達(dá)到約3500臺(tái)，占閥門總量的90%以上；其中超低溫球閥應(yīng)用最廣泛，約占超低溫閥門總量的75%。

因此，超低溫球閥的選用，對(duì)直接關(guān)系到整個(gè)LNG接收站管道系統(tǒng)的運(yùn)行安全。在低溫閥門的設(shè)計(jì)采辦階段，了解LNG超低溫環(huán)境下閥門材料選擇與處理、結(jié)構(gòu)形式、密封性能等問題，就顯得尤為重要。

1 材料的選擇與處理

閥門材料的選擇與處理工藝需要保證閥門在超低溫狀態(tài)下能夠保持應(yīng)有性能。因此在材料選擇上，應(yīng)考慮以下兩個(gè)方面的要求：

(1)超低溫狀態(tài)下具有足夠的低溫沖擊韌性，防止出現(xiàn)低溫冷脆現(xiàn)象；

(2)超低溫狀態(tài)下具有足夠的組織穩(wěn)定性，不會(huì)影響閥門的密封性。

據(jù)了解，一般選用奧氏體不銹鋼ASTM 304(CF8)、304L(CF3)、316(CF8M)、316L(CF3M)等作為主要承壓件材料。由于奧氏體不銹鋼在常溫下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在超低溫條件下會(huì)因晶格畸變而發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，閥門密封結(jié)構(gòu)會(huì)有一定的變形。因此通過多次深冷處理工藝，消除材料相變和塑性變形的影響，從而能夠保證超低溫閥門的密封性能。

2 結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

由于LNG的介質(zhì)特性以及超低溫工況下提出的保冷安全等要求，對(duì)超低溫球閥的結(jié)構(gòu)形式提出了以下要求：

圖1 固定低溫球閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 頂裝式結(jié)構(gòu)

能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢修和維護(hù)，是LNG接收站用超低溫球閥的重要要求之一。因此，超低溫球閥通常采用頂裝式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不需要拆除閥門殼體，只需要拆除上閥蓋，就可以將球體從中腔法蘭取出，從而實(shí)現(xiàn)在線檢修與維護(hù)的目的。

2.2 一體化設(shè)計(jì)

盡可能減少泄漏點(diǎn)，是針對(duì)LNG易燃易爆易揮發(fā)的介質(zhì)特性提出的重點(diǎn)要求。為此，LNG用超低溫球閥通常采用一體化設(shè)計(jì)。

主要包括：(1)閥體為一體式，整體鑄造而成，非兩片或三片閥體焊接或法蘭連接而成；(2)閥蓋與閥桿，由整體鑄造為一體式結(jié)構(gòu)。如果閥蓋與閥桿為鍛造，可由法蘭螺栓結(jié)構(gòu)連接，也是常采用的結(jié)構(gòu)形式。

2.3 加長閥蓋及隔離滴盤

超低溫球閥需要采用加長閥蓋設(shè)計(jì)，通過長閥頸使閥桿填料溫度滿足使用條件，防止過冷影響密封效果。同時(shí)由于閥體需要保冷，防止熱量輸入導(dǎo)致過度氣化，加長的閥桿結(jié)構(gòu)，保證了保冷施工的空間。

隔離滴盤是焊接在閥蓋長頸部分的圓盤，主要起到支持保冷材料、防止冷凝水進(jìn)入下方保冷層的作用。

2.4 閥座泄壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于LNG的高氣液體積比，當(dāng)雙閥座密封的低溫球閥關(guān)閉時(shí)，閥門中腔會(huì)封閉一些殘留的低溫LNG液體，這些殘留的低溫液體會(huì)漸漸吸收熱量而氣化，體積急劇膨脹高達(dá)600多倍，造成閥體異常升壓，對(duì)閥門、管道、設(shè)備等造成極大的安全威脅。為防止中腔異常升壓，一般設(shè)置閥座泄壓結(jié)構(gòu)，主要有兩種：泄壓孔和自泄壓閥座。

(1)泄壓孔：在閥球一側(cè)鉆一個(gè)小孔，來平衡閥體中腔和進(jìn)口側(cè)的壓力，保護(hù)閥門安全。浮動(dòng)球閥一般選用設(shè)置泄壓孔方式泄放中腔壓力。

(2)自泄壓閥座：為實(shí)現(xiàn)指定方向泄壓功能，超低溫固定球閥閥座采用DIB-2(Double isolation and bleed)結(jié)構(gòu)，兩端閥座分別為單向和雙向密封閥座，組合產(chǎn)生單、雙活塞效應(yīng)。當(dāng)中腔超壓時(shí)，可通過單活塞效應(yīng)閥座側(cè)自動(dòng)泄放中腔壓力。

2.5 防火和防靜電設(shè)計(jì)

LNG易燃易爆的特性，防火和防靜電設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)閥門過程中必須考慮的因素。

防火設(shè)計(jì)要求，閥門在發(fā)生火災(zāi)的情況下仍然具有一定的密封性能。一般應(yīng)滿足API 607、API 6FA、ISO 10497等標(biāo)準(zhǔn)的要求。

球閥的防靜電設(shè)計(jì)，就是將閥腔內(nèi)任何有可能累計(jì)靜電荷的部件，與閥體形成導(dǎo)體通路，從而使由于閥門開關(guān)或流體沖刷或摩擦產(chǎn)生的靜電荷，有效地導(dǎo)入接地裝置，避免靜電累積。對(duì)于采用軟密封閥座的超低溫球閥，尤其需要注意防靜電設(shè)計(jì)。一般采用彈簧-柱塞等防靜電結(jié)構(gòu)，使球體與閥桿以及閥桿與閥體之間形成靜電導(dǎo)通通道，從而消除靜電積累。

3 密封性能分析

閥門的密封性能是考核閥門質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。閥門密封性能包括內(nèi)密封性能和外密封性能。就球閥本身的密封結(jié)構(gòu)來看，主要包含三個(gè)部分：閥桿填料處的密封，閥體連接處的密封以及閥體內(nèi)部閥座與球體之間的密封。

3.1 內(nèi)密封性能要求

內(nèi)密封性能就是指低溫球閥在關(guān)斷管路時(shí)閥體內(nèi)部閥座與球體之間的密封副阻止介質(zhì)通過的嚴(yán)密性。根據(jù)閥座密封結(jié)構(gòu)的不同，一般將低溫球閥分為浮動(dòng)球閥和固定球閥。

浮動(dòng)球閥，顧名思義，球體處于浮動(dòng)狀態(tài)，被兩閥座夾持在中間。采用泄壓孔泄壓，具有泄壓孔的一側(cè)，閥腔內(nèi)外壓力相同。閥門關(guān)閉，在流動(dòng)介質(zhì)的作用下，使球體緊緊壓在下游端的閥座密封圈上，保證閥門密封。

固定球閥，與浮動(dòng)球閥正好相反，球體由上下軸承固定，通過上游-閥腔-下游壓力差作用下，推動(dòng)閥座與閥體產(chǎn)生密封力以獲得可靠密封。由于泄壓要求的需要，一般采用上文提到的自泄壓閥座設(shè)計(jì)的密封結(jié)構(gòu)固定球閥。

低溫球閥的內(nèi)密封性能需要低溫試驗(yàn)來測定，必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測試方法及要求。目前常用的低溫球閥試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有BS6364-1998、SGELL MESC SPE 77-200、GB/T 24925等。

3.2 外密封性能要求

外密封性能，也叫做低逸散性能，是指通過閥桿填料處的密封和閥體連接處的密封，閥門阻止介質(zhì)向外部逸散的能力。如果該性能不合格，容易造成易燃易爆氣體聚集，帶來安全問題；同時(shí)，也會(huì)造成環(huán)境污染。對(duì)于低溫閥門，一般需要滿足ISO15848-1或TA-LUFT的相關(guān)要求。

為保證外密封性能，達(dá)到ISO15848-1或TA-LUFT等標(biāo)準(zhǔn)要求，超低溫球閥的閥桿密封結(jié)構(gòu)采用低逸散性組合填料設(shè)計(jì)，即柔性石墨填料+唇式密封圈，并用蝶形彈簧墊片預(yù)緊，在低溫條件下能夠使填料的預(yù)緊力得到補(bǔ)償，確保填料密封效果。

4 總結(jié)

與LNG接收站一樣，我國超低溫球閥的設(shè)計(jì)制造技術(shù)近幾年才慢慢發(fā)展起來。隨著我國LNG接收站的快速發(fā)展，超低溫球閥正處于如火如荼地國產(chǎn)化研發(fā)過程中，設(shè)計(jì)與制造能力正逐步走向成熟。超低溫球閥在LNG接收站系統(tǒng)中起著非常重要的作用。因此無論是LNG接收站工程建設(shè)方、設(shè)計(jì)方還是超低溫閥門制造方，都需要對(duì)低溫球閥結(jié)構(gòu)形式、密封性能、材料選擇等要求有比較深入的了解與認(rèn)識(shí)，從根本上提升閥門的可靠性和安全性，真正使超低溫閥門國產(chǎn)化為我國液化天然氣接收站的健康發(fā)展保駕護(hù)航。