液化天然气用低温球阀的选用

　　介绍了不同液化天然气系统中低温球阀的设计选型方案，分析各种方案的异同，提出了低温球阀设计选用方案的优化建议。

1、概述

　　天然气在能源构成中所占的比例日益提高。液化天然气(LNG) 的体积仅为其气态时体积的1/600，质量仅约为同体积水的45%，其运输成本低于天然气的运输成本。LNG 有助于实现能源供应多元化、保障能源安全，促进国民经济发展。球阀由于其具有流阻低，流量系数Cv值高，关断速度快等特点，在LNG 系统中大量使用。

2、结构特点

　　球阀只需用旋转90°的操作和很小的转动力矩就能关闭严密，因此球阀适宜做开关和截断阀使用。一般情况下，作为截断功能的阀门有闸阀、球阀和蝶阀等。不考虑特殊情况，球阀具有可靠性高，适用性强等特点(表1) 。

表1 不同类型阀门性能

3、选用

　　LNG 用低温球阀有锻钢球阀(NPS 1 /2 ～ 11 /2)和铸钢球阀( ≥NPS 2) 。阀体采用一体顶装式。分体式球阀在阀体中间有法兰连接，法兰在整个管线中既要承受介质内压作用，又要承受来自管系的弯矩和管线收缩的拉力( 冷缩效应) ，不同于通常的管线膨胀产生的推力，冷态介质导致此处承受的不是推力而是拉力，所以分体式阀体的连接法兰形成了一个薄弱点。

　　分体式球阀在价格上可能存在优势，但是分体式球阀选用时需要同时考虑管道设计、工艺要求、应力分析等影响因素，不但增加设计难度，而且增加装置的危险系数。如果经济因素占主导，分体式球阀应放置在管线中非应力集中的位置，在相应安全措施及应力计算的配合下才可应用。EN1473 明确提出，低温工况不推荐使用分体式阀体。承插焊和法兰连接的锻钢球阀需要进一步进行经济对比，价格上会有优势。但某些规范上禁止在低温管线采用承插焊接，选用时需要慎重。由于LNG 为易燃介质，阀门需要设置防火和防静电结构。

　　3.1、锻钢球阀

　　根据锻钢球阀阀体端连接方式、密封要求和限定的压力级等条件，将设计选用方案分为4 种(表2) 。方案一和方案二是焊接连接的阀体，其最低压力等级选用150 磅级。方案三和方案四选用法兰连接，其最低压力等级选用300 磅级。这种提高磅级的目的主要是考虑管道系统在低温状态下产生冷缩和弯矩时，低磅级的法兰无法满足应力计算的要求造成的。对于最高阀门磅级的选择，按照最高管线等级进行选取，对于900 磅级的管线，考虑到小口径在900 磅级时没有对应的法兰尺寸，选择了升高磅级的处理方式。

表2 NPS 1 /2 ～ 11 /2锻钢球阀设计条件

　　(1) 阀门设计。阀门设计选用的标准是阀门常用的设计标准，如API 6D、ISO 17292 和ASMEB16. 34 等。对于低温测试要求参照BS 6364。

　　(2) 管线等级。管线等级是阀门磅级选用的依据，由管线系统的温度、压力和选材确定，一般情况下，阀门的磅级与管线等级一致。

　　(3) 阀体端连接。LNG 系统采用法兰连接的阀门时，在很多法兰处都需要配备LNG 收集盘，回收法兰处泄漏的LNG 到回收系统，增加了系统投资成本。从更换维修方面分析，法兰式阀门不易于维修。如果大量采用法兰阀门，会导致泄漏点增多，安全隐患增加。采用对焊连接的阀门易于防止泄漏和维修。但全部对焊连接时，不利于施工阶段的吹扫及试压工作。

　　(4) 袖管。焊接阀门都配有100mm 的袖管，以防施工焊接时破坏软密封阀座。

　　(5) 阀门压力。承插焊阀门的最低压力选用了800 磅级，其余磅级均随管线等级。法兰阀门有升磅级的考虑。

　　(6) 球体类型。球体可选用浮动球或固定球。方案一和方案二明确使用浮动球，方案三和方案四即接受浮动球又接受固定球。从价格上分析，浮动球低温球阀比固定球低温球阀有很大优势。

　　(7) 密封。4 种方案在密封方向上都做了要求。但是如果低温球阀考虑阀腔泄压的设计，则密封方向是单向的。

　　(8) 材料。阀体/盖材料选用奥氏体不锈钢锻件。球体材料选用力学性能不低于阀体/盖的材料。阀座选用软密封材料，软密封阀座在低温球阀的设计中为首选考虑。阀杆采用奥氏体不锈钢材料或者是Monel 合金。

　　(9) 泄压结构。几种方案明确要求有泄压结构，但是对泄压方向要求不同，其中向高压侧泄压可以保护阀门截断后需要检修的管线。对于泄压结构建议在尺寸较小的阀门中采用球体打孔的方式，避免由于面积差太小导致泄压阀座无法正常开启。

　　3.2、铸钢球阀

　　铸钢球阀的四种方案(表3) 中，阀体端全部选用对焊连接，袖管均为100mm，减少了泄漏点，增加安全性。阀门磅级没做升级处理，球体采用固定球。

表3 等于大于NPS2 铸钢球阀设计条件

4、结语

　　通过分析，应用于LNG 系统的低温球阀其与管线连接端推荐使用焊接结构，以减少泄漏点。除试压和分界等需要外，法兰连接方式的阀门宜严格受控。阀体推荐使用一体顶装式结构，减少由于管系冷缩效应导致的阀体连接法兰泄漏。阀座采用软密封，并且要求有中腔泄压功能。阀门主要部件推荐选用奥氏体不锈钢材料。设计选用过程中，可以根据工况条件和管系材料，选用阀门各结构件的材料。为保证阀门质量，应建立详尽可靠的测试规范。