LNG接收站用超低溫球閥設計及優化探討

孟 新

(中海油江蘇天然氣有限責任公司 鹽城 224000)

LNG，即液化天然氣，是目前公認的高效、安全的清潔能源之一，隨著國內天然氣液化廠和LNG接收站的發展，已經在工業和民用等方面表現出廣闊的發展前景。自2006年中海油大鵬LNG接收站建成投產以來，截至目前，國內投產的LNG接收站已有20余座，每年整體接收能力可達到9000萬噸。LNG接收站建設已成為我國天然氣行業發展的重要一環。

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天然氣體積的1/625，在超低溫工藝系統中的正常溫度為-165℃。因此，如何在LNG存儲及運輸中，保持深冷，防止非正常氣化，確保安全性，是LNG行業研究的重要課題。

超低溫閥門，具有分流、調節、截止、導流、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。據統計，一個大型LNG接收站項目(規模不小于300萬噸/年)，超低溫閥門的使用量能夠達到約3500臺，占閥門總量的90%以上；其中超低溫球閥應用最廣泛，約占超低溫閥門總量的75%。

因此，超低溫球閥的選用，對直接關系到整個LNG接收站管道系統的運行安全。在低溫閥門的設計采辦階段，了解LNG超低溫環境下閥門材料選擇與處理、結構形式、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下能夠保持應有性能。因此在材料選擇上，應考慮以下兩個方面的要求：

(1)超低溫狀態下具有足夠的低溫沖擊韌性，防止出現低溫冷脆現象；

(2)超低溫狀態下具有足夠的組織穩定性，不會影響閥門的密封性。

據了解，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定狀態，在超低溫條件下會因晶格畸變而發生馬氏體轉變，閥門密封結構會有一定的變形。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 結構形式設計

由于LNG的介質特性以及超低溫工況下提出的保冷安全等要求，對超低溫球閥的結構形式提出了以下要求：

圖1 固定低溫球閥結構示意圖

2.1 頂裝式結構

能夠實現在線檢修和維護，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構設計，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，從而實現在線檢修與維護的目的。

2.2 一體化設計

盡可能減少泄漏點，是針對LNG易燃易爆易揮發的介質特性提出的重點要求。為此，LNG用超低溫球閥通常采用一體化設計。

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構。如果閥蓋與閥桿為鍛造，可由法蘭螺栓結構連接，也是常采用的結構形式。

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計，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。同時由于閥體需要保冷，防止熱量輸入導致過度氣化，加長的閥桿結構，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、防止冷凝水進入下方保冷層的作用。

2.4 閥座泄壓結構設計

由于LNG的高氣液體積比，當雙閥座密封的低溫球閥關閉時，閥門中腔會封閉一些殘留的低溫LNG液體，這些殘留的低溫液體會漸漸吸收熱量而氣化，體積急劇膨脹高達600多倍，造成閥體異常升壓，對閥門、管道、設備等造成極大的安全威脅。為防止中腔異常升壓，一般設置閥座泄壓結構，主要有兩種：泄壓孔和自泄壓閥座。

(1)泄壓孔：在閥球一側鉆一個小孔，來平衡閥體中腔和進口側的壓力，保護閥門安全。浮動球閥一般選用設置泄壓孔方式泄放中腔壓力。

(2)自泄壓閥座：為實現指定方向泄壓功能，超低溫固定球閥閥座采用DIB-2(Double isolation and bleed)結構，兩端閥座分別為單向和雙向密封閥座，組合產生單、雙活塞效應。當中腔超壓時，可通過單活塞效應閥座側自動泄放中腔壓力。

2.5 防火和防靜電設計

LNG易燃易爆的特性，防火和防靜電設計是在設計閥門過程中必須考慮的因素。

防火設計要求，閥門在發生火災的情況下仍然具有一定的密封性能。一般應滿足API 607、API 6FA、ISO 10497等標準的要求。

球閥的防靜電設計，就是將閥腔內任何有可能累計靜電荷的部件，與閥體形成導體通路，從而使由于閥門開關或流體沖刷或摩擦產生的靜電荷，有效地導入接地裝置，避免靜電累積。對于采用軟密封閥座的超低溫球閥，尤其需要注意防靜電設計。一般采用彈簧-柱塞等防靜電結構，使球體與閥桿以及閥桿與閥體之間形成靜電導通通道，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量的主要指標之一。閥門密封性能包括內密封性能和外密封性能。就球閥本身的密封結構來看，主要包含三個部分：閥桿填料處的密封，閥體連接處的密封以及閥體內部閥座與球體之間的密封。

3.1 內密封性能要求

內密封性能就是指低溫球閥在關斷管路時閥體內部閥座與球體之間的密封副阻止介質通過的嚴密性。根據閥座密封結構的不同，一般將低溫球閥分為浮動球閥和固定球閥。

浮動球閥，顧名思義，球體處于浮動狀態，被兩閥座夾持在中間。采用泄壓孔泄壓，具有泄壓孔的一側，閥腔內外壓力相同。閥門關閉，在流動介質的作用下，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，推動閥座與閥體產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計的密封結構固定球閥。

低溫球閥的內密封性能需要低溫試驗來測定，必須滿足相關標準測試方法及要求。目前常用的低溫球閥試驗標準有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，也會造成環境污染。對于低溫閥門，一般需要滿足ISO15848-1或TA-LUFT的相關要求。

為保證外密封性能，達到ISO15848-1或TA-LUFT等標準要求，超低溫球閥的閥桿密封結構采用低逸散性組合填料設計，即柔性石墨填料+唇式密封圈，并用蝶形彈簧墊片預緊，在低溫條件下能夠使填料的預緊力得到補償，確保填料密封效果。

4 總結

與LNG接收站一樣，我國超低溫球閥的設計制造技術近幾年才慢慢發展起來。隨著我國LNG接收站的快速發展，超低溫球閥正處于如火如荼地國產化研發過程中，設計與制造能力正逐步走向成熟。超低溫球閥在LNG接收站系統中起著非常重要的作用。因此無論是LNG接收站工程建設方、設計方還是超低溫閥門制造方，都需要對低溫球閥結構形式、密封性能、材料選擇等要求有比較深入的了解與認識，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化為我國液化天然氣接收站的健康發展保駕護航。