LNG接收站管線球閥國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)研究

王乃民,李俊,頓張靜,馬國印,陳健

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

液化天然氣(LNG)接收站是對(duì)船運(yùn)LNG進(jìn)行接收、儲(chǔ)存、氣化和外輸?shù)茸鳂I(yè)的場(chǎng)站[1]。接收站儲(chǔ)存的LNG主要通過高壓氣化和低壓槽車外輸,工藝流程如圖1所示,高壓氣化外輸氣進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)前,在接收站末端外輸總管上設(shè)置管線球閥用于緊急關(guān)斷,以保障燃?xì)夤芫W(wǎng)安全[2-3]。

圖1 LNG接收站高壓氣化外輸流程示意

目前,中國共投用20多座LNG接收站,氣化外輸管線球閥口徑一般超過DN900,壓力等級(jí)大于Class 900。本文介紹的某LNG接收站工程項(xiàng)目擬在氣化外輸總管設(shè)置1臺(tái)氣動(dòng)緊急關(guān)斷球閥,管線工藝參數(shù)見表1所列。

表1 氣化外輸管線工藝參數(shù)

由表1可知,該項(xiàng)目管線規(guī)格為DN1000,一方面目前國內(nèi)管線球閥尚未有大口徑高壓力等級(jí)球閥生產(chǎn)和使用業(yè)績;另一方面,受到歐美等國家技術(shù)壁壘影響,進(jìn)口閥門存在供貨周期延長甚至無法供貨的局面,給國內(nèi)接收站工程建設(shè)帶來巨大挑戰(zhàn)。綜合以上不利因素,筆者擬通過對(duì)管線球閥國產(chǎn)化關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,實(shí)現(xiàn)DN1000,Class 1500管線球閥的國產(chǎn)化,為其他LNG接收站管線球閥國產(chǎn)化提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 方案確定

球閥一般有頂裝式、全焊接和分體式,三種型式球閥優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見表2所列。

表2 三種型式球閥優(yōu)缺點(diǎn)比較

根據(jù)表2比較結(jié)果,從功能安全的設(shè)計(jì)理念出發(fā),應(yīng)首選頂裝式和全焊接球閥,但結(jié)合目前國內(nèi)閥門廠家的生產(chǎn)能力和使用業(yè)績,全焊接閥門的生產(chǎn)能力和使用業(yè)績較多,筆者研究的項(xiàng)目最終確定采用全焊接DN1000,Class 1500的球閥。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)為閥門提供動(dòng)力,閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)、氣動(dòng)和氣液聯(lián)動(dòng)幾種形式,其優(yōu)缺點(diǎn)見表3所列。

表3 三種閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)比

從表3可以看出,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)扭矩小,很難滿足管線球閥大推力要求;考慮到接收站內(nèi)人員和設(shè)施的安全,以及接收站配置了儀表氣源、UPS電源,也不宜選用氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu);若選用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)后續(xù)應(yīng)特別注意扭矩能否滿足要求。

綜上所述,該工程項(xiàng)目管線球閥采用氣動(dòng)全焊接球閥。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 材料選擇

針對(duì)實(shí)際工況,如使用介質(zhì)、使用溫度、環(huán)境溫度等,閥門合理選材非常重要,包括殼體內(nèi)部密封件的材質(zhì)選擇和工藝處理。以往項(xiàng)目中,閥體選擇材質(zhì)牌號(hào)為A216-WCB適用于大口徑中低壓閥門的鑄鋼,閥座材質(zhì)為工程塑料PTFE和PCTFE。材質(zhì)牌號(hào)為A105的鍛鋼適用于小口徑閥門或高壓閥門,該材質(zhì)的鍛造致密性更好一些,能減少氣泡砂眼等。PTFE和PCTFE在低溫環(huán)境中應(yīng)用會(huì)遇到不同的問題,PEEK性能優(yōu)異,是所有工程塑料中最接近PTFE的特種材料。結(jié)合筆者研究項(xiàng)目的超高壓工況,進(jìn)行材料優(yōu)化設(shè)計(jì),球閥本體材質(zhì)選用A105鍛鋼,閥座材質(zhì)選擇PEEK[4]。

2.2 閥門結(jié)構(gòu)

2.2.1 全焊接球閥

閥體的設(shè)計(jì)采用鍛造的結(jié)構(gòu)型式,中體和左右體通過2個(gè)平行的環(huán)形焊縫相連,由焊接專用設(shè)備完成,特殊設(shè)計(jì)和焊接工藝可免除低溫退火的處理。采取了焊前預(yù)熱,并在焊接過程中控制溫度,焊后緩慢冷卻,減小焊接應(yīng)力。焊后材料的抗拉、抗彎強(qiáng)度,延伸率,低溫沖擊韌性等各項(xiàng)指標(biāo)都能滿足要求。焊接操作和焊工符合文獻(xiàn)[5]的規(guī)定。焊后進(jìn)行超聲波檢驗(yàn),保證焊縫質(zhì)量。

2.2.2 閥門密封

管道球閥通常選用雙隔離與排放(DIB)球閥,DIB球閥又分為1型(DIB-1)和2型(DIB-2)兩種。DIB-1型球閥目前應(yīng)用于輸氣管道工程較多,DIB-2型球閥則在輸油管道應(yīng)用廣泛。DIB-1型、DIB-2型球閥結(jié)構(gòu)上的區(qū)別在于2個(gè)閥座不同的組合型式[6],分為單活塞閥座和雙活塞閥座,如圖2和圖3所示。由圖3可知,雙活塞閥座通過增加O型圈截面積,當(dāng)閥門腔內(nèi)壓力升高時(shí),對(duì)閥座產(chǎn)生一個(gè)從右至左的合力,實(shí)現(xiàn)雙向密封。

圖2 單活塞閥座示意

圖3 雙活塞閥座示意

雙堵塞雙排放型球閥(DBB型)、DIB-1型和DIB-2型球閥的閥座性能特點(diǎn)比較見表4所列。

表4 DBB型、DIB-1型和DIB-2型球閥的閥座密封性能特點(diǎn)比較

DIB-2型球閥的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)閥門關(guān)閉后,介質(zhì)被完全隔離無法進(jìn)入管道下游,同時(shí),當(dāng)腔體壓力異常升高時(shí),可以自動(dòng)泄壓到閥門的上游,對(duì)閥門起到保護(hù)作用。該類閥門在安裝時(shí)有方向要求,需特別注意,如若方向安裝反,則效果與DBB型球閥相同。考慮到閥門的使用要求和安全性,筆者研究的項(xiàng)目中管道球閥選擇DIB-2型結(jié)構(gòu)。

2.2.3 球座強(qiáng)度和剛性匹配

通過對(duì)球體和閥座進(jìn)行有限元分析,驗(yàn)證球體和閥座的強(qiáng)度和剛性匹配性。球座強(qiáng)度方面,要求有限元分析應(yīng)力值要低于材料的屈服強(qiáng)度,并有一定的安全余量。球座剛性匹配方面,確保球口位置有限元分析具有足夠的接觸壓力,實(shí)現(xiàn)防泄漏,滿足高壓天然氣工況要求。

2.2.4 防吹出和防火防靜電設(shè)計(jì)

閥桿的頭部設(shè)計(jì)有凸肩,在閥體上采用四開環(huán)卡阻填料箱,填料箱壓住閥桿凸肩卡環(huán)鎖定。當(dāng)閥桿在閥腔介質(zhì)壓力的作用下,填料不會(huì)被介質(zhì)壓力吹出,可實(shí)現(xiàn)在線帶壓更換。

閥座密封采用金屬密封加軟密封的雙重密封結(jié)構(gòu),初級(jí)為防火結(jié)構(gòu)的金屬硬密封,次級(jí)為非金屬軟密封。當(dāng)軟密封遭火災(zāi)燃燒時(shí),金屬硬密封能夠完全達(dá)到密封效果。閥桿部位采用多重密封組合結(jié)構(gòu),并裝有失火安全“柔性石墨填料”,有效保證了閥門的防火安全性。

閥門的閥體、內(nèi)件、閥蓋、閥桿等的防靜電設(shè)計(jì)采用彈簧-鋼球式靜電引出裝置,防靜電電路的電阻小于10 Ω。

2.2.5 閥門的檢驗(yàn)測(cè)試要求

根據(jù)API 6D: 2008《管線和管道閥門規(guī)范》和ASME B16.34: 2017《法蘭端、螺紋端、焊接端閥門規(guī)范》,對(duì)球閥做相關(guān)試驗(yàn)和測(cè)試,包括閥門閥體焊縫超聲檢測(cè)、袖管焊縫射線檢測(cè)、閥門強(qiáng)度壓力試驗(yàn)、高壓水密封試驗(yàn)、DIB-2型球閥性能測(cè)試、低壓氣密封試驗(yàn)、執(zhí)行器功能測(cè)試等[6-7]。

3 制造要求

首先對(duì)國內(nèi)閥門制造廠進(jìn)行篩選,初步確定具備生產(chǎn)能力的廠家,再通過資格證書、質(zhì)量控制能力、生產(chǎn)能力、技術(shù)保障等方面進(jìn)行綜合評(píng)定[8]。

3.1 資格證書

初步篩選5家國內(nèi)閥門制造廠,都有API 6D證書、都具備SIL2認(rèn)證,防火證書和特種設(shè)備制造許可證(TS)因國內(nèi)使用業(yè)績較少,可允許隨貨提供,球閥的API 607認(rèn)證情況見表5所列。

表5 5家閥門制造廠球閥API 607認(rèn)證情況

3.2 質(zhì)量控制

閥門廠家應(yīng)具有有效期內(nèi)的ISO 9001認(rèn)證證書,并嚴(yán)格按照ISO 9001的要求,建立完善的質(zhì)量保證體系。制定專業(yè)的工作規(guī)程和執(zhí)行規(guī)范,落實(shí)質(zhì)量手冊(cè)和程序文件的具體化要求,形成質(zhì)量文件體系。

3.3 生產(chǎn)能力

生產(chǎn)能力主要包含加工能力、焊接能力、裝配能力和檢測(cè)能力。加工能力主要體現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床、立車、吊機(jī)等大型設(shè)備加工范圍,焊接能力主要是焊機(jī)能力和焊工水平。

4 國產(chǎn)化應(yīng)用

經(jīng)過對(duì)5家閥門制造廠認(rèn)證證書、生產(chǎn)能力、質(zhì)量控制的對(duì)比,選擇了其中一家進(jìn)行國產(chǎn)化應(yīng)用。正式生產(chǎn)前廠家應(yīng)提供送審資料供設(shè)計(jì)審核,批準(zhǔn)后方可生產(chǎn),送審資料包括: 扭矩計(jì)算書、執(zhí)行機(jī)構(gòu)六點(diǎn)扭矩、閥門結(jié)構(gòu)圖紙、檢驗(yàn)測(cè)試計(jì)劃等,按照檢驗(yàn)測(cè)試計(jì)劃要求,聘請(qǐng)第三方人員駐場(chǎng)見證,包括: 抗靜電測(cè)試、殼體壓力試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、扭矩測(cè)試、外觀尺寸檢驗(yàn)等重要節(jié)點(diǎn),出廠前FAT測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)SAT測(cè)試。

通過整體測(cè)試結(jié)果與技術(shù)要求對(duì)比,閥門各項(xiàng)性能滿足要求,達(dá)到投用標(biāo)準(zhǔn)。通過國產(chǎn)化打破了國外技術(shù)的壟斷,降低了接收站投資成本,并且國產(chǎn)閥門供貨期較短,保證了工程建設(shè)進(jìn)度。

5 結(jié)論與建議

通過LNG接收站高壓大口徑管線球閥的方案選擇,材料選擇,閥門結(jié)構(gòu)包括密封,強(qiáng)度和剛度匹配,防吹出、防火、防靜電等的設(shè)計(jì),并考慮對(duì)制造廠的要求,從而實(shí)現(xiàn)高壓大口徑管線球閥生產(chǎn)的國產(chǎn)化,為其他LNG接收站建設(shè)奠定了基礎(chǔ),研究成果已在后續(xù)的2個(gè)LNG接收站項(xiàng)目中推廣應(yīng)用。針對(duì)后續(xù)項(xiàng)目大尺寸超高壓管道球閥國產(chǎn)化應(yīng)用有以下建議:

1)建議閥體材質(zhì)采用牌號(hào)為A694F60/ENP的高強(qiáng)度不銹鋼,可以在不影響性能的前提下降低成本。對(duì)于北方低溫區(qū)域的接收站球閥,建議閥體材質(zhì)采用材質(zhì)牌號(hào)為A350 LF2的耐低溫鍛鋼。

2)建議閥座采用彈性更好的改性尼龍DEVLON V。采用該材質(zhì)制造的閥座密封更穩(wěn)定,更適合高壓氣工況。該材質(zhì)適用于超大規(guī)格的管道,最大管徑可達(dá)225 cm(90英寸),在滿足同等工況的前提下,價(jià)格低廉。