低溫下壓縮成液化天然氣閥門設計與工藝概述 低溫下壓縮成液化天然氣閥門設計 天然氣閥

之前介紹JIS日標不銹鋼截止閥標準，現在介紹天然氣經脫水、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。

低溫下壓縮成液化天然氣閥門設計與工藝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。

低溫下壓縮成液化天然氣閥門設計與工藝閥門材料

LNG 閥門正常工作溫度為約－ 163 ℃，在此溫度下，金屬材料將發生低溫冷脆現象，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 穩定性。奧氏體不銹鋼具有優良的強度、韌性、耐腐蝕性和焊接性，線膨脹系數低。但是奧氏體不銹鋼中S 和P 等雜質會降低材料的強度及低溫沖擊韌性，應嚴格控制其含量。

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥閥體、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2 次。工藝系統閥門應滿足輸送LNG的壓力和流量要求，同時必須具備耐-196℃的低溫性能。常用的LNG閥門主要有增壓調節閥、減壓調節閥、緊急切斷閥、低溫截止閥、安全閥、止回閥等。閥門材料為0Cr18Ni9。

2. 管材、管件、法蘭選型設計
①介質溫度≤-20℃的管道采用輸送流體用不銹鋼無縫鋼管(GB/T14976—2002)，材質為0Cr18Ni9。管件均采用材質為0crl8Ni9的無縫沖壓管件(GB/T 12459—90)。法蘭采用凹凸面長頸對焊鋼制管法蘭(HG 20592—97)，其材質為0Cr18Ni9。法蘭密封墊片采用金屬纏繞式墊片，材質為0crl8Ni9。緊固件采用雙頭螺柱、螺母，材質為0Crl8Ni9。
②介質溫度>-20℃的工藝管道，當公稱直徑≤200 mm時，采用輸送流體用無縫鋼管(GB/T8163—1999)，材質為20號鋼；當公稱徑>200mm時采用焊接鋼管(GB/T 3041—2001)，材質為Q235B。管件均采用材質為20號鋼的無縫沖壓管件(GB/T 12459—90)。法蘭采用凸面帶頸對焊鋼制管法蘭(HG 20592—97)，材質為20號鋼。法蘭密封墊片采用柔性石墨復合墊片(HG 20629—97)。
LNG工藝管道安裝除必要的法蘭連接外，均采用焊接連接。低溫工藝管道用聚氨酯絕熱管托和復合聚乙烯絕熱管殼進行絕熱。碳素鋼工藝管道作防腐處理。

3. 冷收縮問題
LNG管道通常采用奧氏體不銹鋼管，材質為0crl8Ni9，雖然其具有優異的低溫機械性能，但冷收縮率高達0．003。站區LNG管道在常溫下安裝，在低溫下運行，前后溫差高達180℃，存在著較大的冷收縮量和溫差應力，通常采用“門形”補償裝置補償工藝管道的冷收縮。

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部或外部泄放。內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，中腔介質通過減壓閥進入泄放氣收集系統。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。低溫閘閥的泄壓孔 低溫球閥的泄壓孔圖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。在閥內部，上游介質壓力將彈性閘板緊壓在下游閥座密封圈上，實現下游低壓側密封。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上下游雙向密封。超低溫閘閥須在閥體上標識介質流向。

(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行ANSI B16. 34 規定的特殊等級要求。超低溫球閥須在閥體上標識介質流向。

(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。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥