概述

　　天然氣經(jīng)脫水、精制和冷卻，在－ 163 ℃低溫下壓縮成液化天然氣( Liquefied Natural Gas － LNG) ，節(jié)省儲存和運輸空間，降低儲運成本。因此，LNG具有天然氣的易燃易爆性。閥門對LNG 裝置安全可靠地運行具有極為重要的作用。雖然閥門占LNG 接收站總投資的百分之幾，但在日常維修中要占總維修費用的50% 以上。根據(jù)LNG 設備事故案例分析，有多起案例因閥門故障和失效造成LNG 泄漏，使整個裝置停機甚至燃燒爆炸。

LNG 閥門

　　LNG 裝置上使用的超低溫閥門主要設計標準有JB /T 7749、GB /T 24925、BS 6364、MSS SP－134和MESC SPE77 /200 等。

閥門材料

　　LNG 閥門正常工作溫度為約－ 163 ℃，在此溫度下，金屬材料將發(fā)生低溫冷脆現(xiàn)象，即強度和硬度升高，塑性和韌性大幅下降，這會嚴重影響閥門的安全性。為防止材料在低溫下的低應力脆斷，閥體和閥瓣等部件常采用奧氏體不銹鋼。如304、304L、316、316L 等，其中316L 穩(wěn)定性最好。奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的強度、韌性、耐腐蝕性和焊接性，線膨脹系數(shù)低。但是奧氏體不銹鋼中S 和P 等雜質(zhì)會降低材料的強度及低溫沖擊韌性，應嚴格控制其含量。

　　閥體、閥蓋、閥瓣、閥座和閥桿等部件必須進行低溫深冷處理，使奧氏體轉變成馬氏體和變形充分后再進行精加工，以降低溫度對超低溫閥門密封性能的影響。低溫處理溫度應低于材料相變溫度且低于閥門實際工作溫度。處理時間1 ～ 2 h，然后取出自然冷卻到常溫，重復循環(huán)2 次。

特殊要求

(1) 設計與工藝

　　防止LNG 泄漏非常重要。為減少泄漏點，閥體要求鍛造( 或鑄造) 整體成型。端法蘭采用對焊連接，慎用法蘭連接。為保證對焊端面焊后低溫機械性能，閥體應選用低碳奧氏體不銹鋼304L 或316L。對于閥門部件的強度焊接，應實施焊接工藝評定。

　　奧氏體不銹鋼在焊接熱影響區(qū)由于碳化物析出和馬氏體形成，會引起低溫脆性，焊后進行固溶處理。閥門部件原材料質(zhì)量要嚴格控制。與LNG 直接或間接接觸的部件必須進行滲透、超聲波或射線等無損檢測，還須深冷處理及－ 196℃ 低溫沖擊試驗。所用奧氏體不銹鋼要求進行固溶、退火熱處理供貨。

　　低溫閥門的閥桿應設計為防吹出結構。低溫工況頻繁操作的閥門，其內(nèi)件應能避免引起卡阻、咬合和擦傷等。低溫閥閥體在滿足強度要求時，對不同壁厚的閥體連接應逐漸過渡，避免壁厚突變引起應力集中。壁厚設計不當會引起焊接裂紋。

　　低溫閥各部件在溫度和壓力的交變載荷作用下不應出現(xiàn)明顯的彈性塑性變形，因此，在閥門設計過程中，除了對閥體、閥蓋、閥桿和閥瓣進行常規(guī)的強度計算外，還應采用有限元應力分析和抗震分析來確保閥門的可靠性。

(2) 加長閥蓋

　　低溫閘閥、截止閥、球閥和蝶閥的閥蓋應設計成便于保冷的加長結構( 長頸閥蓋) 。閥蓋的長頸部分可采用與本體材質(zhì)相同的無縫鋼管對焊到閥蓋和填料箱上，焊后應進行熱處理以消除應力。加長閥蓋可使填料函底部的工作溫度高于0℃。如果填料函結冰，不但影響閥桿的正常操作，而且也會因閥桿的上下運動劃傷填料，造成密封失效。閥桿與長頸部分的間隙應按盡可能小的對流熱損失設計，但間隙對填料函溫度影響很小，閥蓋長度和閥徑厚度是影響填料函溫度的主要因素。加長閥蓋下部焊接滴水盤，可防止冷凝水進入保冷層，避免或減少保溫層下腐蝕( CUI) 。

(3) 防異常升壓

　　當球閥和閘閥關閉時，閥門中腔殘留的LNG 因周圍環(huán)境的相對高溫引起的熱傳遞會快速升溫氣化、壓力急劇升高。過高的氣壓可能導致閥桿密封泄漏、中法蘭密封泄漏、閥體緊固件失效等。高壓泄放通常采用閥門內(nèi)部或外部泄放。內(nèi)部泄放是指閥門進口端采用彈性泄放閥座或在閘板( 圖1) 及球體( 圖2) 上開設泄壓孔連通中腔和管道進口端。一旦異常升壓，中腔介質(zhì)泄放至進口管道，可保持閥門中腔與管道進口段壓力平衡。外部泄放是在中腔閥體外安裝減壓閥，當中腔壓力達到泄放壓力時，中腔介質(zhì)通過減壓閥進入泄放氣收集系統(tǒng)。通常，對于DN≤300 的低溫閘閥，在閘板( 球體) 上開設平衡孔。DN300 以上閥門在閥體外設旁路減壓閥。

圖1 低溫閘閥的泄壓孔   圖2 低溫球閥的泄壓孔

常用的超低溫閥門

(1) 閘閥

　　標準低溫閘閥是單向密封的，其彈性閘板上開有3 mm 的泄放孔，連通閥腔與上游管道。閥腔異常升壓時，可通過泄放孔與上游管道達到壓力平衡。在閥內(nèi)部，上游介質(zhì)壓力將彈性閘板緊壓在下游閥座密封圈上，實現(xiàn)下游低壓側密封。雙向密封閘閥是在閥腔外設置減壓閥，而不必在閘板上開孔。外部泄壓使閘閥實現(xiàn)上下游雙向密封。超低溫閘閥須在閥體上標識介質(zhì)流向。

(2) 球閥

　　超低溫球閥采用頂裝式結構。軟密封球閥價格便宜，泄漏率低，僅用于小口徑低壓工況。相對而言，硬密封球閥價格高，泄漏率高，但可用于含有固體顆粒的流體，其耐沖刷、耐磨損性能好。LNG 軟密封閥座選可經(jīng)受－ 196 ℃ 的PCTFE( KEL－F) 。軟密封球閥限于小口徑低壓工況。而大口徑高壓球閥應選用金屬對金屬硬密封結構。用于低溫工況的對焊閥門執(zhí)行ANSI B16. 34 規(guī)定的特殊等級要求。超低溫球閥須在閥體上標識介質(zhì)流向。

(3) 蝶閥

　　超低溫蝶閥要求雙向密封。LNG 蝶閥大多采用對焊端面。對焊蝶閥連接強度高( 其承受的載荷至少是法蘭連接閥門的2 倍) ，連接更為可靠( 減少了潛在的法蘭泄漏) ，維修方便(特別是大口徑蝶閥的閥座、蝶板和閥桿等可以在線更換) ，且維修工作量小，時間短。超低溫蝶閥須在閥體上標識流向。基于低溫介質(zhì)對密封性能的影響，蝶閥的密封宜采用雙偏心或三偏心結構，以減輕或消除蝶閥啟閉過程中密封面的過度擠壓或刮擦等現(xiàn)象，降低磨損，提高使用壽命。KSB 閥門閥座密封采用Lip Seal結構，取得很好的密封效果。閥桿密封選用低逸散組合填料，可使填料密封滿足TA－Luft 標準。