全容式LNG 儲罐罐頂儀表隔離閥選型技術(shù)研究

李廣鑫 司紅濤 楊公升 廉立偉 李 蕾 張強(qiáng)強(qiáng)

海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451

0 前言

LNG(Liquefied Natural Gas)接收站中，來自LNG 運(yùn)輸船的LNG 首先通過卸料臂經(jīng)LNG 總管輸送至陸上LNG 儲罐進(jìn)行存儲。LNG 溫度為－162 ℃，體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1 /600，極易蒸發(fā)。在LNG 儲罐進(jìn)料輸送過程中，由于溫度變化，儲罐內(nèi)LNG 蒸發(fā)量急劇上升，危險性大［1－3］。為防止LNG 儲罐進(jìn)料時液位超標(biāo)、蒸發(fā)過快、儲罐壓力超高，需同時對LNG 儲罐液位、壓力、溫度進(jìn)行監(jiān)控，必要時進(jìn)行緊急關(guān)斷，避免意外發(fā)生。

全容式LNG 儲罐液位、壓力、溫度等參數(shù)［4－7］的監(jiān)控儀表，因需通過儲罐罐頂閥門進(jìn)行連接安裝及隔斷維護(hù)，故稱為罐頂儀表隔離閥。

全容式LNG 儲罐工藝多由國外公司設(shè)計，但從未給出罐頂儀表隔離閥具體設(shè)計參數(shù)(材質(zhì)、溫度、壓力等)，只根據(jù)工程經(jīng)驗來進(jìn)行罐頂儀表隔離閥選型，無明確理論依據(jù)。實際工程設(shè)計中常選用超低溫深冷閥門(非加長閥桿)或超低溫深冷閥門(加長閥桿)，選型較保守。

天津LNG 儲罐項目，由日本IHI 公司作為第三方進(jìn)行審查，該公司推薦選用超低溫深冷閥門方案。根據(jù)BS 6364－1984《低溫閥門》(以下簡稱BS 6364－1984)要求，超低溫深冷閥門需要做低溫測試，測試溫度－196 ℃，測試介質(zhì)為液氮及氦氣［8］。超低溫深冷閥門需進(jìn)口采辦，測試成本高，制造周期長，因此有必要對罐頂儀表隔離閥選型進(jìn)行優(yōu)化。以全容式LNG 儲罐罐頂儀表隔離閥為研究對象，分析儲罐罐頂儀表隔離閥功能原理，結(jié)合LNG 儲罐設(shè)計參數(shù)、LNG 儲罐罐頂管嘴設(shè)計、儀表罐內(nèi)護(hù)管設(shè)計、超低溫深冷閥門的標(biāo)準(zhǔn)要求及罐頂儀表操作維修工藝，對LNG 儲罐罐頂儀表隔離閥選型進(jìn)行深入分析研究，找出罐頂儀表隔離閥選型的理論依據(jù)。據(jù)此，天津LNG 儲罐項目未采用日本IHI 公司的推薦方案，而選用非低溫奧氏體不銹鋼閥門，運(yùn)行良好。

1 儲罐儀表及控制系統(tǒng)分析

1.1 儲罐儀表及控制系統(tǒng)功能、要求

LNG 儲罐運(yùn)行期間危險性最大的事故是翻滾，翻滾會導(dǎo)致儲罐內(nèi)瞬間產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣，使儲罐出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，如不及時通過安全閥排放，會造成儲罐結(jié)構(gòu)性損傷。

根據(jù)NFPA 59 A－2009《液化天然氣生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》要求，LNG 儲罐還應(yīng)設(shè)置液位控制、溫度控制、壓力控制、內(nèi)罐泄漏監(jiān)控、緊急關(guān)斷、密度檢測儀表等儀表及控制系統(tǒng)。

典型LNG 儲罐儀表管嘴、儀表隔離閥連接示意圖見圖1，儲罐儀表管嘴功能說明見表1。

圖1 典型LNG 儲罐儀表管嘴、儀表隔離閥連接示意圖

表1 儲罐儀表管嘴功能說明

1.2 低溫閥門與儀表管嘴結(jié)構(gòu)分析

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)對低溫閥門結(jié)構(gòu)的要求

工程中低溫閥門設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要為BS 6364－1984 和MSS SP－134－2006《對低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》(以下簡稱MSS SP－134－2006)。

1.2.1.1 BS 6364－1984 對閥門結(jié)構(gòu)的要求

為防止低溫介質(zhì)凍住閥桿填料，導(dǎo)致閥門不能正常操作，BS 6364－1984 要求“低溫閥門設(shè)置加長的閥蓋/填料壓套，加長的長度應(yīng)足以使閥桿填料的溫度保持在允許操作的填料材料的公稱溫度范圍內(nèi)”，并給出了冷箱式閥門閥桿的最小增加長度要求，帶加長閥桿或填料壓蓋的閥門見圖2。

1.2.2.2 MSS SP－134－2006 對閥門結(jié)構(gòu)的要求

MSS SP－134－2006 規(guī)定“閥門上應(yīng)有一個閥體/閥蓋加長體，以使閥桿填料和閥門操作機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離閥體/閥蓋加長體內(nèi)的低溫介質(zhì)。閥體/閥蓋加長體應(yīng)足夠長以提供絕緣氣柱，防止填料區(qū)域和操作裝置凍結(jié)”。該標(biāo)準(zhǔn)同時還給出了非冷箱結(jié)構(gòu)閥門加長閥桿的長度，典型的上螺紋帶支架低溫閘閥加長閥桿結(jié)構(gòu)見圖3，閥體/閥蓋加長體的長度見表2［9］。

圖2 帶加長閥桿或填料壓蓋的閥門

圖3 典型的上螺紋帶支架低溫閘閥加長閥桿結(jié)構(gòu)

表2 閥體/閥蓋加長體的長度 mm

1.2.2 閥門滴盤

為保證低溫閥門的操作溫度，工程設(shè)計中要求低溫閥門設(shè)置滴盤，滴盤增加換熱面積，保證閥門通過低溫介質(zhì)時，閥桿填料處在環(huán)境溫度，典型低溫閥門見圖4。滴盤設(shè)計在各低溫閥門制造廠已是成熟產(chǎn)品，不同廠家的滴盤設(shè)計大小及位置略有不同。

圖4 典型低溫閥門

1.2.3 管嘴及罐內(nèi)護(hù)管的結(jié)構(gòu)設(shè)計

以伺服液位計為例，伺服液位計護(hù)管上端連接到操作平臺上儀表管嘴法蘭，下端延伸到儲罐底部，典型護(hù)管見圖5。儲罐內(nèi)甲板上部，護(hù)管表面留有多個小孔，維持壓力平衡，使浮子能夠隨液位變化而上下移動，測量液位高度。

圖5 典型護(hù)管

儀表操作平臺下需設(shè)置氮?dú)夂蛢x表氣管線，考慮焊接施工要求，操作平臺宜高出混凝土穹頂1 m 以上，管嘴法蘭宜高出平臺300 mm 以上，此段管線高出混凝土穹頂1.3 m 以上。

在混凝土穹頂外，護(hù)管用筋板加固，筋板表面積大于閥門滴盤面積，起到類似滴盤散熱作用。

儲罐內(nèi)罐設(shè)計溫度－165 ℃(介質(zhì)為LNG)，外罐設(shè)計溫度－15 ℃(介質(zhì)為LNG 的蒸發(fā)氣)，內(nèi)罐和外罐之間，有1 m 厚絕熱保護(hù)層。高出儲罐罐頂混凝土穹頂部分管線不需進(jìn)行保冷。

1.2.4 分析

對加長閥體/閥蓋結(jié)構(gòu)分析:儀表護(hù)管設(shè)計中，管內(nèi)的絕緣氣柱(不流動的天然氣)長度為4 m 以上(外罐護(hù)管管道長度均值3 m 以上)，遠(yuǎn)大于6″球閥加長閥蓋的長度，加長閥蓋的長度為0.425 m(表2)，已超出MSS SP－134－2006 對低溫閥門加長閥蓋長度的規(guī)定，滿足使用要求。

對滴盤結(jié)構(gòu)分析:護(hù)管四周焊接不銹鋼加強(qiáng)筋，換熱面積大于滴盤，能夠代替滴盤的熱交換作用，防止填料區(qū)域和操作裝置凍結(jié)。

因此，儀表護(hù)管管嘴設(shè)計，完全能替代或超越低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)對閥門結(jié)構(gòu)的要求。無需對閥門進(jìn)行加長閥體/閥蓋及增加滴盤設(shè)計。

管嘴的設(shè)計溫度和設(shè)計壓力分析:

1)以圖1 為例，對于K 3K 4K 1AK 1B 管嘴，其護(hù)管穿過罐內(nèi)吊頂，儲罐外罐設(shè)計溫度最低為－15.4 ℃，設(shè)計壓力為29 kPa。

2)閥門直接與儀表相連，完全暴露在空氣中，管道內(nèi)為不流通氣體介質(zhì)。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷熱導(dǎo)率為0.030 24［10］，熱阻較大，不流通的甲烷氣體起到絕熱隔離作用，儲罐外管道及閥門與外界進(jìn)行熱交換，熱平衡后可認(rèn)為管道及閥門溫度為環(huán)境溫度。

綜上，儀表處于穩(wěn)定工況下，根據(jù)ASME B 16.34－2009《法蘭、螺紋和焊連接的閥門》(以下簡稱ASME B 16.34－2009)中閥門溫壓曲線，設(shè)計溫度－29 ℃，設(shè)計壓力1.96 MPa［11］規(guī)定，閥門材料可選用碳鋼。

2 罐頂儀表隔離閥操作維修工藝

操作維修時，罐頂儀表隔離閥內(nèi)部會有流動氣態(tài)介質(zhì)，若保證流動氣態(tài)天然氣介質(zhì)溫度在外罐溫度－15 ±10 ℃，此閥門可選擇碳鋼閥門。為保證閥門操作溫度(以伺服液位計為例)，可進(jìn)行如下操作工藝步驟:

1)啟動預(yù)裝在閥門上部的電機(jī)，將護(hù)管內(nèi)漂浮在LNG 表面浮子收回到外罐。

2)浮子在外罐內(nèi)停留足夠長時間(4 h 以上)，經(jīng)傳熱使浮子和外罐溫度一致或接近為止，約－15 ℃。

3)繼續(xù)啟動電機(jī)，將浮子收回并高于閥門。

4)停留1 h，待傳熱為環(huán)境溫度時，關(guān)閉閥門。

5)卸下閥門上部連接儀表，取出浮子進(jìn)行維修。

6)維修后，連接儀表，打開閥門，啟動電機(jī)，放下浮子。

3 閥門材料選擇

溫壓曲線是閥門材料選擇的依據(jù)，根據(jù)ASME B 16.34－2009 中溫壓曲線規(guī)定，碳鋼閥門標(biāo)準(zhǔn)等級下閥門最低溫度－29 ℃，壓力1.96 MPa;非低溫奧氏體不銹鋼閥門，標(biāo)準(zhǔn)等級下閥門溫度－196 ℃時，壓力1.9 MPa。材料溫壓等級見表3。

表3 材料溫壓等級

在穩(wěn)定工況下，閥門材料可選用碳鋼。若考慮極端工況(例如儲罐內(nèi)LNG 蒸發(fā)氣通過閥門大量外漏)、操作工沒有按照工藝要求進(jìn)行操作，閥門瞬間通過低溫氣態(tài)天然氣(－162 ℃)，閥體、閥球、閥蓋等材質(zhì)可選擇奧氏體不銹鋼316 或304，閥座內(nèi)密封可采用耐低溫材料PCTFE。即閥門材料選擇與低溫閥門一致，但不做－196 ℃下低溫試驗，不用加長閥蓋，不加滴盤，無需遵守BS 6364－1984 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，閥門亦完全滿足耐低溫要求。極端工況處理完畢，關(guān)閉閥門后，閥門仍可正常使用無損壞，滿足設(shè)計要求。

天津LNG 儲罐項目根據(jù)儲罐外罐設(shè)計溫度、設(shè)計壓力及ASME B 16.34－2009 標(biāo)準(zhǔn)中閥門溫壓曲線對材料的要求，選用非低溫奧氏體不銹鋼閥門，應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，此閥門及管線外表面未結(jié)冰，溫度與環(huán)境溫度相同，理論分析與實際應(yīng)用吻合。

4 結(jié)論

1)本文以全容式LNG 儲罐罐頂儀表隔離閥為研究對象，分析了標(biāo)準(zhǔn)對超低溫深冷閥門的結(jié)構(gòu)要求，及LNG 儲罐罐頂管嘴和護(hù)管設(shè)計，并考慮操作維修工藝，找出LNG 儲罐罐頂儀表隔離閥選型理論依據(jù)，得出LNG儲罐罐頂儀表隔離閥可選用碳鋼閥門或極端工況下選用非低溫奧氏體不銹鋼閥門的結(jié)論。

2)穩(wěn)定工況下，閥門內(nèi)部無流通介質(zhì)，閥門設(shè)計溫度可考慮為環(huán)境溫度，碳鋼閥門滿足設(shè)計要求。極端工況下，儲罐內(nèi)LNG 蒸發(fā)氣通過閥門排放到大氣中，非低溫奧氏體不銹鋼閥門耐低溫，滿足設(shè)計要求，閥門無需進(jìn)行加長桿設(shè)計、滴盤設(shè)計、低溫測試，無需遵守BS 6364－1984 標(biāo)準(zhǔn)，僅需進(jìn)行常溫、常壓下密封試驗，驗收標(biāo)準(zhǔn)為API 598－2009《閥門的檢查和試驗》。

3)天津LNG 儲罐項目選用非低溫奧氏體不銹鋼儀表隔離閥，滿足設(shè)計要求，節(jié)省了費(fèi)用，縮短了采辦周期。

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［7］NFPA 59A－2009，Standard for the Production，Storage，and Handling of Liquefied Natural Gas(LNG)［S］.

［8］BS 6364－1984，Specification for Valves for Cryogenic Service［S］.

［9］MSS SP－134－2006，Valves for Cryogenic Service Including Requirements for Body/Bonnet Extensions［S］.

［10］全國勘查設(shè)計注冊工程師公用設(shè)備專業(yè)管理委員會秘書處.全國勘查設(shè)計注冊公用設(shè)備工程師動力專業(yè)執(zhí)業(yè)資格考試教材［M］.3 版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013:515－515.Professional Management Committee Secretary of the National Exploration and Design Registered Utilities Engineer. Power Professional Qualification Examination Materials of the National Exploration and Design Registered Utilities Engineer［M］. 3rd ed. Beijing:China Machine Press，2013:515－515.

［11］ASME B 16.34－2009，Valves-Flanged，Threaded，and Welding End［S］.