LNG接收站用超低溫球閥設(shè)計與優(yōu)化措施

李曉坤 中油遼河工程有限公司

LNG作為優(yōu)秀的清潔能源受到各國青睞并成為首選燃料，是全球范圍內(nèi)增長最為迅猛的能源行業(yè)之一。國內(nèi)LNG發(fā)展迅猛，自2006我國內(nèi)地第一座LNG接收站完工，新的LNG接收站不斷投產(chǎn)，中國不斷擴大進口LNG規(guī)模，相應(yīng)的閥門產(chǎn)品必定受到更高關(guān)注，超低溫球閥設(shè)計與優(yōu)化也成為研究重點。

一、LNG接收站用超低溫球閥設(shè)計

（一）閥門材料選擇

考慮到超低溫球閥成本以及性能問題，在材料選擇與處理方面區(qū)別于其他油氣工程，應(yīng)確保充分適用于LNG接收站。通常情況下，LNG存儲在-162℃、0.1MPa左右的低溫儲存罐內(nèi)。在嚴格的溫度條件下，普通金屬材料會發(fā)生低溫冷脆情況，無法保證良好的塑性與韌性，無法為閥門性能與使用安全提供有效保障。為此，應(yīng)選擇奧氏體不銹鋼材料作為超低溫球閥承壓部件的材料，主要原因是其在超低溫條件下性能、金相組織相較穩(wěn)定，具有良好的韌性、強度、耐腐蝕性、焊接性[1]。現(xiàn)階段，Cr-Ni系奧氏體不銹鋼廣泛應(yīng)用于超低溫球閥閥體、閥蓋的制作中。為避免上述材料投入使用時發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，有必要提前做好深冷處理。選擇RTFE或PCTFE作為球閥密封圈，相比之下PCTFE機械強度、硬度略勝一籌，但成本較高。

（二）結(jié)構(gòu)形式

基于LNG介質(zhì)特性以及超低溫工況下對閥門提出的保冷安全要求，需要明確超低溫球閥結(jié)構(gòu)形式要點。超低溫球閥在實際應(yīng)用過程中，極易受到閥門壓力和口徑影響，工作中出現(xiàn)卡阻、閥體異常升壓等情況。LNG接收站用超低溫球閥應(yīng)滿足以下幾點要求：（1）采用頂裝式結(jié)構(gòu)：無須拆除閥門殼體，只需拆除上閥蓋就可以達到在線檢修和維護的目的。（2）一體化結(jié)構(gòu)。閥體一體化，閥蓋與閥桿一體化鑄造，若為鍛造需由法蘭螺栓結(jié)構(gòu)連接，盡可能減少泄漏點。（3）閥蓋閥桿加長。適當(dāng)加長設(shè)計。閥蓋加長可滿足填料溫度適用條件，避免因過冷影響密封效果，閥桿加長可避免熱量輸入氣化過度，有足夠的保冷施工空間。（4）閥座泄壓結(jié)構(gòu)。以雙閥座低溫球閥為例，關(guān)閉時閥門中腔殘留的低溫LNG液體因吸收熱量而逐漸氣化導(dǎo)致體積劇增，即產(chǎn)生閥體異常升壓現(xiàn)象，對閥門、管道以及相關(guān)設(shè)備有安全威脅。為避免這一現(xiàn)象出現(xiàn)，應(yīng)設(shè)置閥座泄壓結(jié)構(gòu)，包括泄壓孔和自泄壓閥座。（5）防火防靜電。要求在發(fā)生火災(zāi)的情況下，低溫球閥仍具備密封性能，密封效果滿足ISO10497、API607、API6FA等要求。防靜電設(shè)計要求可以將閥腔內(nèi)可能累積以及摩擦產(chǎn)生的靜電荷通過接地裝置有效導(dǎo)出，避免靜電累積產(chǎn)生安全威脅。

（三）密封性能

密封性能是決定超低溫球閥使用效果的關(guān)鍵指標(biāo)，分為內(nèi)、外密封性能。超低溫球閥密封結(jié)構(gòu)主要包括閥桿填料處、閥體連接處、內(nèi)部閥座與球體間三種。內(nèi)密封性能：按照閥座密封結(jié)構(gòu)，超低溫球閥可劃分為固定球閥與浮動球閥兩種。有關(guān)其密封性能需要嚴格依照相關(guān)測試標(biāo)準和要求，通過低溫試驗有效測定。外密封性能：又稱低逸散性能，是閥門組織介質(zhì)向外逸散的能力，該項能力要求與安全問題和環(huán)境污染直接相關(guān)[2]。為保證良好的外密封性能，通常選擇柔性石墨填料+唇式密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時采用蝶形彈簧墊片預(yù)緊，不僅可以保證形成良好的密封結(jié)構(gòu)，彈簧墊片一定程度上可以保證在低溫條件下對填料預(yù)緊力起到補償作用。

二、LNG接收站用超低溫球閥優(yōu)化措施

結(jié)合實際，針對超低溫球閥在LNG接收站應(yīng)用的難點問題，針對性提出優(yōu)化措施。

（一）閥門試壓相關(guān)問題

水壓試驗可能出現(xiàn)內(nèi)部經(jīng)多次操作后仍有水分的情況，較難保證各閥門內(nèi)腔完全干燥，由此導(dǎo)致超低溫LNG貫通后，填料內(nèi)水分預(yù)冷結(jié)冰，閥桿與物料在操作中產(chǎn)生較大摩擦力，阻力較大甚至出現(xiàn)閥桿抱死或泄露情況，閥門密封性能失效。氣壓試驗則存在設(shè)計壓力高危險系數(shù)高的情況。

基于此，可采取以下方法：（1）分段試壓，多次吹掃，給予一定溫度補償，在半開狀態(tài)下風(fēng)干干燥。（2）氣壓試驗用泄露性試驗替代。需嚴格按照GB/T20801-2006相關(guān)規(guī)定進行，并達到免除條件。

（二）閥門泄漏相關(guān)問題

超低溫球閥出現(xiàn)泄漏問題的主要原因包括閥門內(nèi)漏和外漏兩種情況。閥門內(nèi)漏：一種原因為低溫工況導(dǎo)致的密封材料變形，密封不嚴而產(chǎn)生泄露。另一種原因可能為閥門吹掃過程中有金屬顆粒等雜質(zhì)進入閥門內(nèi)部，操作時摩擦并損壞閥座和閥體，導(dǎo)致內(nèi)漏問題出現(xiàn)。閥門外漏：原因一，超低溫球閥結(jié)構(gòu)中的連接墊片、螺栓在超低溫條件下未能同步收縮。原因二，非金屬材料填料與金屬材料膨脹指數(shù)存在較大差異，盡管采取對填料壓蓋螺旋以及彈簧墊片預(yù)緊的方式，在超低溫條件下起到一定程度預(yù)緊力補償?shù)男Ч源嬖谔盍厦芊獠粐蓝鴮?dǎo)致泄漏。原因三，閥桿位置泄漏。超低溫換將使得閥桿連接處泄漏而結(jié)冰，造成閥門啟用失靈。

對于上述閥門泄漏原因，一方面需要加強閥門自身質(zhì)量，在閥門制造階段充分考慮到極端工況，生產(chǎn)出高質(zhì)量的超低溫球閥，保證良好的應(yīng)用效果。閥門安裝過程中加強施工監(jiān)管，確保安裝質(zhì)量。LNG接收站選擇的超低溫球閥充分考慮到材料、結(jié)構(gòu)等設(shè)計問題。另一方面，應(yīng)保證閥門通道與管線有效連通，通過加強管理始終保持閥門內(nèi)良好的清潔度，避免閥腔內(nèi)堆積焊渣、鐵屑等雜物。

三、結(jié)論

由于LNG接收站工況苛刻，LNG也具有易燃易爆的特性，對超低溫球閥技術(shù)要求嚴格，需要重視超低溫球閥材料的選擇，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)，確保優(yōu)秀的密封性能，并對于實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的問題及時、針對性解決，以達到良好的應(yīng)用效果。