LNG止回閥低溫應用解決方案*

張周衛(wèi) 李 河 汪雅紅 李 躍 郭舜之 趙 麗

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

LNG止回閥低溫應用解決方案*

張周衛(wèi)**1,2李 河1汪雅紅1,2李 躍1郭舜之1趙 麗1

(1.蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院；2.甘肅中遠能源動力工程有限公司)

針對傳統(tǒng)止回閥在輸送低溫易燃流體時存在的不易安全控制、無法雙向?qū)ā⒚芊庑孤?、體積大及設計笨重等問題，根據(jù)-162℃LNG低溫輸運的特點，給出了LNG止回閥在低溫工況下的解決方案。

LNG止回閥 壓力調(diào)節(jié)閥 設計壓力 兩相流 解決方案

在傳統(tǒng)的流體控制領(lǐng)域中，成套工藝流程常用的過程控制閥門種類、數(shù)量眾多。其中止回閥作為主要的通斷閥門之一，具有可單向止回、流動阻力小、閥門不易阻塞、控制流量大及控制方便等特點[1]。但由于傳統(tǒng)的止回閥存在密封面大、密封面多及易泄漏等缺點，無法應用于低溫易燃流體領(lǐng)域，尤其是-162℃LNG領(lǐng)域中[2]，極大地限制了LNG止回閥的發(fā)展與應用。為此，筆者針對傳統(tǒng)低溫LNG止回閥存在的問題，提出了相應的解決方案，以提高管道內(nèi)LNG過程控制效率，降低系統(tǒng)設計壓力，縮小止回閥體積，提高LNG止回閥和LNG輸送系統(tǒng)的安全性。

1 LNG止回閥應用于低溫領(lǐng)域時存在的問題

目前，傳統(tǒng)LNG止回閥在-162℃LNG領(lǐng)域中應用時存在的問題主要有：

a. 當止回閥關(guān)閉后，管道兩側(cè)的LNG均易汽化。由于LNG自增壓會使管道內(nèi)壓增大，給閥門帶來安全隱患，所以當止回閥應用于低溫LNG領(lǐng)域時，在閥門關(guān)閉后必須要具有雙向?qū)ǖ陌踩饔茫鴤鹘y(tǒng)低溫止回閥并不具備此功能。

b. LNG汽化后的主要成分為CH4，為易燃易爆氣體。同時，傳統(tǒng)的低溫止回閥密封面較大，而密封面在閥門啟閉過程中會出現(xiàn)振動，容易引起密封脫落，造成介質(zhì)泄漏。尤其在-162℃低溫工況下，密封墊片和密封面直接與LNG接觸，密封材料容易出現(xiàn)低溫脆斷的現(xiàn)象，導致密封面被破壞進而造成泄漏，因此存在很大的安全隱患，尤其對于易燃易爆氣體來說，其危險性更大。

c. LNG為低溫流體，在輸送過程中管道內(nèi)容易出現(xiàn)兩相流。而當兩相流遇到止回閥突然截止時，容易導致管道內(nèi)剩余LNG壓力劇增并過臨界，給整個系統(tǒng)造成極大的安全隱患。

2 解決方案及其原理

針對低溫LNG止回閥在應用時存在的問題，筆者提出了具體的解決方案并介紹了方案原理[3,4]。

首先，應用LNG自增壓原理，確保管道兩側(cè)的壓力平衡。當LNG止回閥(圖1)突然關(guān)閉并單向截止LNG輸運時，外界環(huán)境會提供熱源并不斷加熱管道兩側(cè)的LNG。當管道兩側(cè)的LNG受熱后，飽和溫度升高，飽和壓力升高，自增壓開始并很快超過管道安全輸送壓力和設計壓力。所以，根據(jù)LNG止回閥需要單向密封、單向止回、雙向?qū)ǖ奶攸c，在閥瓣(圖2)處沿徑向設置兩個單向?qū)ǖ膲毫φ{(diào)節(jié)閥門(圖3)，并根據(jù)LNG管道流程的具體要求，設置調(diào)節(jié)各自的控制壓力，使閥門止回后能夠根據(jù)管道內(nèi)LNG自增壓的大小自動雙向?qū)ü艿纼蓚?cè)LNG，控制閥門兩側(cè)管道的壓力平衡，易于反流控制，起到既單向止回又雙向?qū)ǖ陌踩刂菩в?。其中，?壓力調(diào)節(jié)閥和第2壓力調(diào)節(jié)閥可通過調(diào)節(jié)閥閥體焊接于閥瓣通孔內(nèi)，且兩個壓力調(diào)節(jié)閥出口均向左，進口均與右側(cè)LNG主流接通。當管道右側(cè)壓力由于右側(cè)LNG自增壓增高，達到第1壓力調(diào)節(jié)閥和第2壓力調(diào)節(jié)閥控制壓力時，第1壓力調(diào)節(jié)閥和第2壓力調(diào)節(jié)閥均打開，LNG排入止回閥左側(cè)；當左側(cè)壓力由于左側(cè)LNG自增壓增高后，LNG推動閥瓣帶動搖桿繞搖桿逆時針旋轉(zhuǎn)并打開閥門，使左側(cè)LNG流入右側(cè)，閥門兩側(cè)壓力導通并達到平衡，以此可有效避免由非正常操作等原因引起的LNG管道內(nèi)自增壓造成的危害。當壓力調(diào)節(jié)閥工作時，LNG自右側(cè)調(diào)節(jié)閥閥座頂部通孔進入閥座與閥體之間的環(huán)形通道，并作用于調(diào)節(jié)閥閥桿錐形密封面，當壓力大于調(diào)節(jié)閥彈簧設定的預緊壓力時，推動調(diào)節(jié)閥閥桿，帶動調(diào)節(jié)閥閥蓋一起向左運動，調(diào)節(jié)閥打開并泄放LNG；當壓力小于調(diào)節(jié)閥彈簧設定的預緊壓力時，調(diào)節(jié)閥自動關(guān)閉，以此調(diào)節(jié)壓力。兩個壓力調(diào)節(jié)閥的設定壓力可根據(jù)系統(tǒng)設計壓力進行設定，閥蓋與閥桿之間的彈簧預緊力調(diào)節(jié)可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥閥蓋并改變調(diào)節(jié)閥彈簧預緊高度的方法來實現(xiàn)。

圖1 LNG止回閥

圖2 閥瓣

圖3 壓力調(diào)節(jié)閥門

其次，在-162℃低溫工況下，由于環(huán)境熱源不斷提供熱量，管道內(nèi)極易產(chǎn)生兩相流，引起過熱沸騰，使LNG處于激烈的相變過程并伴隨壓力和溫度的突變，進而不斷產(chǎn)生大量的過熱蒸汽、過熱液體等。LNG在管道輸運過程中，系統(tǒng)壓力和溫度難以控制，相變過程復雜多變。管道內(nèi)LNG溫度和壓力的劇烈變化使閥門與管道連接處的法蘭密封件或密封材料極易被破壞，導致管道內(nèi)LNG泄漏，產(chǎn)生極大的安全隱患。所以，根據(jù)LNG低溫滲漏的特點，設置全焊接型閥門，以閥蓋與下閥體對焊的形式減小密封面數(shù)量。另外，由于LNG輸運過程中存在兩相流，閥瓣處于不停的開關(guān)振動狀態(tài)，主密封面極易脫落，容易引起泄漏，不能有效單向止回。因此，采用密封螺釘穿透主密封圈并將主密封圈固定于閥瓣的方法，防止主密封面脫落。

最后，根據(jù)低溫預緊壓力與輸送壓力匹配的原理，解決LNG止回閥低溫工況下的安全問題，降低閥門和系統(tǒng)設計壓力。LNG為低溫流體，管道輸送壓力一般低于0.2MPa，處于飽和或過熱狀態(tài)，因此在輸送過程中管道內(nèi)容易出現(xiàn)兩相流。當兩相流遇到止回閥突然截止時，容易導致管道內(nèi)剩余LNG壓力劇增并過臨界(4.6MPa)，溫度過臨界(-82.59℃)，給整個系統(tǒng)造成極大的安全隱患。而一般的LNG止回閥或LNG系統(tǒng)的設計壓力均大于6.0MPa，使整個LNG系統(tǒng)設計難度增大，設計笨重，體積龐大。為此，筆者根據(jù)LNG易過臨界的特性，在止回閥設計過程中，應用自增壓安全平衡技術(shù)，設置控制LNG截止的預壓力。當預壓力超過截止設定壓力時，可通過壓力調(diào)節(jié)閥導通LNG，起到止回閥和安全閥的雙重功效，降低LNG止回閥和LNG輸送系統(tǒng)的設計壓力，使閥門質(zhì)量更輕、體積更小、更便于管理[5～8]。

3 結(jié)束語

筆者根據(jù)LNG止回閥需要單向密封、單向止回、雙向?qū)ǖ奶攸c，在閥瓣處沿徑向設置了兩個單向?qū)ǖ膲毫φ{(diào)節(jié)閥門，該壓力調(diào)節(jié)閥可根據(jù)LNG管道流程的具體要求，進行設置并調(diào)節(jié)各自的控制壓力。在止回閥關(guān)閉時，能夠有效控制閥門兩側(cè)管道的壓力平衡，易于反流控制，起到既單向止回又雙向?qū)ǖ陌踩刂菩в?，使LNG止回閥具有自動泄壓、自動調(diào)節(jié)和自我保護的功能。同時，固定鎖緊主密封面，設置全焊接型閥門，減小密封面數(shù)量，以最大限度地降低LNG泄漏量。最后，根據(jù)LNG易過臨界的特性，在止回閥設計過程中，應用自增壓安全平衡技術(shù)降低LNG止回閥和LNG輸送系統(tǒng)的設計壓力，使閥門體積更小，安全性更高，加工制造成本更低。

[1] 陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002:1～6.

[2] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG止回閥[P].中國:201410071260.8,2014-05-28.

[3] GB/T 24925-2010,低溫閥門技術(shù)條件[S].北京:中國標準出版社,2010.

[4] JB/T 7749-1995,低溫閥門技術(shù)條件[S].北京:中華人民共和國機械工業(yè)部,1995.

[5] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG蝶閥[P].中國:201410067518.7,2014-05-21.

[6] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG球閥[P].中國:201410060746.1,2014-05-14.

[7] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG閘閥[P].中國:201410057759.3,2014-06-04.

[8] 張周衛(wèi),汪雅紅,張小衛(wèi),等.LNG截止閥[P].中國:201410053777.4,2014-05-14.

*國家自然科學基金項目(51666008)，甘肅省財政廳基本科研業(yè)務費(214137)。

**張周衛(wèi)，男，1974年10月生，副教授。甘肅省蘭州市，730070。

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0254-6094(2016)06-0825-03

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