LNG接收站用超低溫球閥設計與優化措施

李曉坤 中油遼河工程有限公司

LNG作為優秀的清潔能源受到各國青睞并成為首選燃料，是全球范圍內增長最為迅猛的能源行業之一。國內LNG發展迅猛，自2006我國內地第一座LNG接收站完工，新的LNG接收站不斷投產，中國不斷擴大進口LNG規模，相應的閥門產品必定受到更高關注，超低溫球閥設計與優化也成為研究重點。

一、LNG接收站用超低溫球閥設計

（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別于其他油氣工程，應確保充分適用于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。在嚴格的溫度條件下，普通金屬材料會發生低溫冷脆情況，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、金相組織相較穩定，具有良好的韌性、強度、耐腐蝕性、焊接性[1]。現階段，Cr-Ni系奧氏體不銹鋼廣泛應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生馬氏體轉變，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）結構形式

基于LNG介質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構形式要點。超低溫球閥在實際應用過程中，極易受到閥門壓力和口徑影響，工作中出現卡阻、閥體異常升壓等情況。LNG接收站用超低溫球閥應滿足以下幾點要求：（1）采用頂裝式結構：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）一體化結構。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構連接，盡可能減少泄漏點。（3）閥蓋閥桿加長。適當加長設計。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）閥座泄壓結構。以雙閥座低溫球閥為例，關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致體積劇增，即產生閥體異常升壓現象，對閥門、管道以及相關設備有安全威脅。為避免這一現象出現，應設置閥座泄壓結構，包括泄壓孔和自泄壓閥座。（5）防火防靜電。要求在發生火災的情況下，低溫球閥仍具備密封性能，密封效果滿足ISO10497、API607、API6FA等要求。防靜電設計要求可以將閥腔內可能累積以及摩擦產生的靜電荷通過接地裝置有效導出，避免靜電累積產生安全威脅。

（三）密封性能

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

二、LNG接收站用超低溫球閥優化措施

結合實際，針對超低溫球閥在LNG接收站應用的難點問題，針對性提出優化措施。

（一）閥門試壓相關問題

水壓試驗可能出現內部經多次操作后仍有水分的情況，較難保證各閥門內腔完全干燥，由此導致超低溫LNG貫通后，填料內水分預冷結冰，閥桿與物料在操作中產生較大摩擦力，阻力較大甚至出現閥桿抱死或泄露情況，閥門密封性能失效。氣壓試驗則存在設計壓力高危險系數高的情況。

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，在半開狀態下風干干燥。（2）氣壓試驗用泄露性試驗替代。需嚴格按照GB/T20801-2006相關規定進行，并達到免除條件。

（二）閥門泄漏相關問題

超低溫球閥出現泄漏問題的主要原因包括閥門內漏和外漏兩種情況。閥門內漏：一種原因為低溫工況導致的密封材料變形，密封不嚴而產生泄露。另一種原因可能為閥門吹掃過程中有金屬顆粒等雜質進入閥門內部，操作時摩擦并損壞閥座和閥體，導致內漏問題出現。閥門外漏：原因一，超低溫球閥結構中的連接墊片、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存在較大差異，盡管采取對填料壓蓋螺旋以及彈簧墊片預緊的方式，在超低溫條件下起到一定程度預緊力補償的效果，但仍存在填料密封不嚴而導致泄漏。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量，在閥門制造階段充分考慮到極端工況，生產出高質量的超低溫球閥，保證良好的應用效果。閥門安裝過程中加強施工監管，確保安裝質量。LNG接收站選擇的超低溫球閥充分考慮到材料、結構等設計問題。另一方面，應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良好的清潔度，避免閥腔內堆積焊渣、鐵屑等雜物。

三、結論

由于LNG接收站工況苛刻，LNG也具有易燃易爆的特性，對超低溫球閥技術要求嚴格，需要重視超低溫球閥材料的選擇，合理設計結構，確保優秀的密封性能，并對于實際應用中發現的問題及時、針對性解決，以達到良好的應用效果。