液化天然气用上装式固定球球阀的研究

　　分析了液化天然气接收站用上装式球阀的结构特性，介绍了波纹管密封上装式固定球球阀的结构性能及装配过程和安装要求。

1、概述

　　液化天然气(LNG) 是储存和运输时所采用的一种独特物态，有利于天然气的远距离运输，经LNG 接收站进行储存及气化后进入城市天然气管网系统。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为球阀具有安装空间小，启闭迅速、密封可靠的优点，因此LNG 接收站的罐区普遍采用球阀。为了避免因管道交变温度应力对阀门密封的影响，普遍采用上装式球阀。为了减少阀门的操作转矩，各接收站通常规定公称尺寸≥NPS 4 的上装式球阀选用固定式结构。

2、结构分析

　　2.1、外置调节棒

　　外置调节棒上装式球阀(图1) 阀座设有2 ～4个外置水平方向的调节棒，通过调节阀座的位移实现阀门的装配。该结构增加了阀门的外泄漏点，使阀门存在潜在的外泄漏风险，因此不适用于LNG 工况。

图1 外置调节棒上装式固定球球阀

　　2.2、内置调节棒

　　内置调节棒上装式固定球球阀(图2) 的每个阀座靠2 个内置垂直方向的调节棒调节阀座位移，实现阀门的装配，这种结构减少了阀门潜在的外泄漏点。由于受结构长度及调节棒尺寸、材料等因素的影响，该种结构只能适用于小口径(≤NPS 6) 上装式球阀。

图2 内置调节棒上装式固定球球阀

　　2.3、螺纹阀座

　　螺纹阀座的上装式固定球球阀(图3) 的阀座前端有径向螺纹，通过螺纹调节圈旋合调节阀座位移，实现阀门的装配。该结构也避免了潜在的外泄漏风险，但由于受螺纹加工精度及长期使用螺纹失效等因素的影响，这种结构尽管在各LNG接收站普遍采用，但真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为其潜在的失效模式不可避免。

图3 螺纹阀座上装式固定球球阀

　　2.4、波纹管密封

　　外置调节棒、内置调节棒及螺纹阀座上装式固定球球阀的阀体和阀座之间由于采用Lip- seal 密封圈，该密封圈对于配合尺寸精度及表面粗糙度要求高，在深冷工况下有诸多不确定因素，阀门会产生内漏。波纹管密封上装式固定球球阀(图4) 解决了上装式结构的局限性、不可靠性以及阀门的内漏问题。

　　波纹管密封上装式固定球球阀采用螺纹导向套结构。波纹管一端和阀座焊接，另一端和阀座螺纹导向套焊接。导向套的端面设有螺纹孔，阀座法兰上设有光孔，靠2 ～3 个内六角螺钉调整阀座的位移，实现球体从上面装入阀体。

图4 螺纹导向套结构波纹管密封上装式固定球球阀

　　上装式固定球球阀中腔容留的介质因温度升高而导致LNG 汽化。异常升压时，有可能导致阀门承压边界的失效，因此相关LNG 阀门的产品技术要求及标准均规定其中腔具有自泄压功能。目前现有产品基本是通过阀座前后的面积差或Lip-seal 密封圈实现。对于DIB-2 结构阀门，通过面积差实现，通常一个阀座设计为单活塞效应(SPE，或称为自泄放阀座) ，另一个阀座设计为双活塞效应(DPE) 。

　　通过Lip-seal 密封圈实现，单活塞效应阀座安装1个泛塞，而双活塞效应阀座则安装2 个背靠背的泛塞。为确保阀门能自动泄压，球体上装有自动泄压阀。泄压阀的设定压力为壳体材料在38℃时压力额定值的1.1 ～1.33 倍，而泄压阀的回座压力不低于壳体材料在38℃时压力额定值的1. 05 倍。当中腔压力达到设定压力时，阀门即可实现自泄压功能。阀体上的箭头方向指向泄压端方向。可根据工艺要求，按箭头指向安装阀门，将泄压端安装到工艺要求的泄压方向，确保装置安全运行。LNG 接收站用上装式固定球球阀密封圈一般采用PCTFE。由于PCTFE 在低温下易收缩并变硬，因而该部位存在密封失效的风险。针对这一问题，在密封圈和阀座之间加柔性石墨垫进行密封。柔性石墨在低温下渗透系数小，热膨胀率低，在低温下仍保持较好的弹性，因此可确保阀座和密封圈的密封。

　　现有的LNG 接收站上装式固定球球阀的阀杆密封均采用矩形截面填料，通过活载荷弥补填料压缩使用过程中因磨损而带来的填料作用力的减小，但并未彻底解决问题。通过对填料的受力分析发现，阀杆密封是靠径向力实现的，大量的试验及工程实践已证明，随着填料函深度的增加，填料径向密封力呈递减趋势(图5) ，趋于下层的填料密封性能较差，整个填料组并没有完全实现密封功能。

图5 填料的受力分析

　　针对这一问题，采用Garlock 9000 EVSP 填料组(图6) 。该填料组两端为2 个编织环，起到消除填料挤出与密封的作用，中间自上而下为1 个30°高密度凹面适配环，3 个45° 低密度碟形密封环，1个30°高密度凸面适配环。当填料压盖压紧上端编织填料时，上端编织填料将载荷传递给30°高密度凹面适配环，30°高密度凹面适配环将载荷传递至45°碟形密封环上，密封环外径径向膨胀以密封填料函壁，内径径向膨胀以密封阀杆。低密度石墨会填充阀杆上最细小的缺陷并且在密封环上形成一个石墨层，以利于密封。相比传统矩形截面填料，杯锥形设计允许多次调节，并使填料组均实现密封。

3、安装要求

　　在一些LNG 接收站上，发现多台低温阀门将阀杆处于水平方向安装。从图7 中可以看出填料部位已经结冰，该阀门的填料已经失去密封作用，并且由于冻结，阀门已经很难实现启闭。文献[6]规定了低温阀门的安装方法，对于壳体装有保温冷箱结构的阀门，其阀杆轴线与水平方向的夹角不应小于45°，对于阀门壳体没有保温冷箱的结构，其阀杆轴线与水平方向的夹角不应小于15°。

图6 填料组(Garlock 9000 EVSP)

图7 某LNG 接收站低温阀门

4、结语

　　LNG 深冷上装式固定球球阀由于其低温工况，其结构设计应分析其介质的特殊性，使阀门球体既能实现从上面装入阀体，便于操作及可靠运行，又要保证阀座和阀体之间及密封圈和阀座之间的有效密封，避免阀门产生内漏影响装置安全运行。由于阀门的介质为LNG，当阀门关闭时必需有效隔离介质。另一方面，低温阀门在管道上的安装也应引起注意，应按照产品的相关标准或使用要求安装阀门。以确保装置的安全运行，减少对环境的污染及危害。