液化天然气用超低温阀门

概述

　　天然气经脱水、精制和冷却，在－ 163 ℃低温下压缩成液化天然气( Liquefied Natural Gas － LNG) ，节省储存和运输空间，降低储运成本。因此，LNG具有天然气的易燃易爆性。阀门对LNG 装置安全可靠地运行具有极为重要的作用。虽然阀门占LNG 接收站总投资的百分之几，但在日常维修中要占总维修费用的50% 以上。根据LNG 设备事故案例分析，有多起案例因阀门故障和失效造成LNG 泄漏，使整个装置停机甚至燃烧爆炸。

LNG 阀门

　　LNG 装置上使用的超低温阀门主要设计标准有JB /T 7749、GB /T 24925、BS 6364、MSS SP－134和MESC SPE77 /200 等。

阀门材料

　　LNG 阀门正常工作温度为约－ 163 ℃，在此温度下，金属材料将发生低温冷脆现象，即强度和硬度升高，塑性和韧性大幅下降，这会严重影响阀门的安全性。为防止材料在低温下的低应力脆断，阀体和阀瓣等部件常采用奥氏体不锈钢。如304、304L、316、316L 等，其中316L 稳定性最好。奥氏体不锈钢具有优良的强度、韧性、耐腐蚀性和焊接性，线膨胀系数低。但是奥氏体不锈钢中S 和P 等杂质会降低材料的强度及低温冲击韧性，应严格控制其含量。

　　阀体、阀盖、阀瓣、阀座和阀杆等部件必须进行低温深冷处理，使奥氏体转变成马氏体和变形充分后再进行精加工，以降低温度对超低温阀门密封性能的影响。低温处理温度应低于材料相变温度且低于阀门实际工作温度。处理时间1 ～ 2 h，然后取出自然冷却到常温，重复循环2 次。

特殊要求

(1) 设计与工艺

　　防止LNG 泄漏非常重要。为减少泄漏点，阀体要求锻造( 或铸造) 整体成型。端法兰采用对焊连接，慎用法兰连接。为保证对焊端面焊后低温机械性能，阀体应选用低碳奥氏体不锈钢304L 或316L。对于阀门部件的强度焊接，应实施焊接工艺评定。

　　奥氏体不锈钢在焊接热影响区由于碳化物析出和马氏体形成，会引起低温脆性，焊后进行固溶处理。阀门部件原材料质量要严格控制。与LNG 直接或间接接触的部件必须进行渗透、超声波或射线等无损检测，还须深冷处理及－ 196℃ 低温冲击试验。所用奥氏体不锈钢要求进行固溶、退火热处理供货。

　　低温阀门的阀杆应设计为防吹出结构。低温工况频繁操作的阀门，其内件应能避免引起卡阻、咬合和擦伤等。低温阀阀体在满足强度要求时，对不同壁厚的阀体连接应逐渐过渡，避免壁厚突变引起应力集中。壁厚设计不当会引起焊接裂纹。

　　低温阀各部件在温度和压力的交变载荷作用下不应出现明显的弹性塑性变形，因此，在阀门设计过程中，除了对阀体、阀盖、阀杆和阀瓣进行常规的强度计算外，还应采用有限元应力分析和抗震分析来确保阀门的可靠性。

(2) 加长阀盖

　　低温闸阀、截止阀、球阀和蝶阀的阀盖应设计成便于保冷的加长结构( 长颈阀盖) 。阀盖的长颈部分可采用与本体材质相同的无缝钢管对焊到阀盖和填料箱上，焊后应进行热处理以消除应力。加长阀盖可使填料函底部的工作温度高于0℃。如果填料函结冰，不但影响阀杆的正常操作，而且也会因阀杆的上下运动划伤填料，造成密封失效。阀杆与长颈部分的间隙应按尽可能小的对流热损失设计，但间隙对填料函温度影响很小，阀盖长度和阀径厚度是影响填料函温度的主要因素。加长阀盖下部焊接滴水盘，可防止冷凝水进入保冷层，避免或减少保温层下腐蚀( CUI) 。

(3) 防异常升压

　　当球阀和闸阀关闭时，阀门中腔残留的LNG 因周围环境的相对高温引起的热传递会快速升温气化、压力急剧升高。过高的气压可能导致阀杆密封泄漏、中法兰密封泄漏、阀体紧固件失效等。高压泄放通常采用阀门内部或外部泄放。内部泄放是指阀门进口端采用弹性泄放阀座或在闸板( 图1) 及球体( 图2) 上开设泄压孔连通中腔和管道进口端。一旦异常升压，中腔介质泄放至进口管道，可保持阀门中腔与管道进口段压力平衡。外部泄放是在中腔阀体外安装减压阀，当中腔压力达到泄放压力时，中腔介质通过减压阀进入泄放气收集系统。通常，对于DN≤300 的低温闸阀，在闸板( 球体) 上开设平衡孔。DN300 以上阀门在阀体外设旁路减压阀。

图1 低温闸阀的泄压孔   图2 低温球阀的泄压孔

常用的超低温阀门

(1) 闸阀

　　标准低温闸阀是单向密封的，其弹性闸板上开有3 mm 的泄放孔，连通阀腔与上游管道。阀腔异常升压时，可通过泄放孔与上游管道达到压力平衡。在阀内部，上游介质压力将弹性闸板紧压在下游阀座密封圈上，实现下游低压侧密封。双向密封闸阀是在阀腔外设置减压阀，而不必在闸板上开孔。外部泄压使闸阀实现上下游双向密封。超低温闸阀须在阀体上标识介质流向。

(2) 球阀

　　超低温球阀采用顶装式结构。软密封球阀价格便宜，泄漏率低，仅用于小口径低压工况。相对而言，硬密封球阀价格高，泄漏率高，但可用于含有固体颗粒的流体，其耐冲刷、耐磨损性能好。LNG 软密封阀座选可经受－ 196 ℃ 的PCTFE( KEL－F) 。软密封球阀限于小口径低压工况。而大口径高压球阀应选用金属对金属硬密封结构。用于低温工况的对焊阀门执行ANSI B16. 34 规定的特殊等级要求。超低温球阀须在阀体上标识介质流向。

(3) 蝶阀

　　超低温蝶阀要求双向密封。LNG 蝶阀大多采用对焊端面。对焊蝶阀连接强度高( 其承受的载荷至少是法兰连接阀门的2 倍) ，连接更为可靠( 减少了潜在的法兰泄漏) ，维修方便(特别是大口径蝶阀的阀座、蝶板和阀杆等可以在线更换) ，且维修工作量小，时间短。超低温蝶阀须在阀体上标识流向。基于低温介质对密封性能的影响，蝶阀的密封宜采用双偏心或三偏心结构，以减轻或消除蝶阀启闭过程中密封面的过度挤压或刮擦等现象，降低磨损，提高使用寿命。KSB 阀门阀座密封采用Lip Seal结构，取得很好的密封效果。阀杆密封选用低逸散组合填料，可使填料密封满足TA－Luft 标准。