液化天然氣用超低溫固定球球閥的設計

1、概述

　　液化天然氣(LNG)作為一種清潔燃料，已成為城市管道供氣、分布式能源系統(tǒng)、汽車及飛機等交通工具的主要能源之一。LNG是天然氣在經凈化及超低溫狀態(tài)下(-162℃、一個大氣壓)冷卻液化的產物。液化后的天然氣體積約為天然氣體積的1/600(0℃、1個大氣壓時)。LNG無色無味，主要成分為甲烷，很少有其他雜質。其液體密度約426kg/m3，此時氣體密度約1.5kg/m3。爆炸極限為5%～15%(體積%)，燃點為450℃。天然氣液化、運輸、儲存和汽化等工藝配套設備的建設，給超低溫閥門的發(fā)展帶來了契機。LNG接收站主要的截斷閥類有超低溫球閥、超低溫閘閥、超低溫截止閥和超低溫蝶閥，其中超低溫球閥用量較多。

2、超低溫固定球球閥的結構特點

　　2.1、閥體

　　超低溫固定球球閥為全通徑(圖1)結構，閥門在全開啟位置時無阻擋，內部通徑符合API6D的規(guī)定。閥體為一體式結構，相對于二片式或三片式閥體，減少了泄漏點。閥門為頂裝式結構，可實現(xiàn)在線更換內部密封件，公稱直徑≥NPS2的超低溫球閥設計為固定球。

1.閥體2.閥蓋3.滴盤4.支架5.閥桿6.齒輪驅動裝置

圖1 超低溫固定球球閥

　　2.2、閥蓋

　　采用加長閥蓋，其目的在于能起保護填料函的功能。保證填料函部位的溫度在0℃以上，使填料可以正常工作。加長閥蓋的設計主要是頸部長度的設計，其與材料的導熱系數(shù)、導熱面積及表面散熱系數(shù)、散熱面積等因素有關，計算比較繁瑣，一般由實驗法求得或采用相關標準。真空技術網(http://genius-power.com/)查閱了具體數(shù)據(jù)，可以按表1確定。

表1 加長閥蓋頸部長度L(mm)

　　2.3、滴盤

　　加長閥蓋設置有滴盤，可以防止冷凝水流入保溫層。滴盤的位置同時標明了低溫球閥進行現(xiàn)場保溫材料的最高位置。在閥蓋上鉆一連通孔，使加長段空腔與閥門中腔連通，確保不會使加長段空腔產生異常升壓。

　　2.4、自泄壓

　　中腔異常升壓的泄放通過自泄壓閥座來實現(xiàn)，中腔自泄壓方向為上游管道。

　　2.5、閥桿密封

　　閥桿處密封為低泄漏、低維護的結構。根據(jù)具體尺寸設計成二道或多道密封，使閥桿處密封等級滿足ISO15848-2的B級要求，還可防止水壓試驗時有水進入到柔性石墨填料內，耐久等級滿足ISO15848-1的C01級。在填料壓板螺栓連接處設置有碟形彈簧，進行過載荷補償，避免了溫度交變下的活動載荷的影響。

　　在閥桿與球體結合部以及閥桿與閥蓋接觸處有防靜電裝置(鋼球和彈簧)，防止靜電在球體上積聚。在12V直流電下測試，球體與閥蓋及閥桿與閥蓋之間的電阻值不超過10Ω。超低溫固定球球閥還應設計滿足API6FA或API607標準的安全防火結構。

　　2.6、閥座密封

　　在超低溫狀態(tài)下，閥座與閥體配合處的密封采用唇式密封圈(圖2)是最合適的選擇。唇式密封圈本身精度要求高，同時對配合金屬零件的精度和表面光潔度要求也較高。閥座密封圈材料采用超低溫性能優(yōu)異的PCTFE(kel-f)，其性能參數(shù)見表2。

圖2 唇式密封圈

表2 閥座密封圈材料性能

　　2.7、驅動機構

　　閥門在閥桿與垂線成30°夾角時，能夠正常操作。手動球閥(包括采用執(zhí)行器、齒輪驅動裝置)均應設置鎖定裝置，使超低溫球閥可以在全開啟或全關閉的位置都能夠被鎖定。執(zhí)行機構可在線更換維修，亦能在結冰的條件下操作。

3、超低溫固定球球閥的主體材料檢驗

　　(1)材料的檢驗與試驗應符合相應EN10204及ASTM標準的要求。

　　(2)對于閥體、閥蓋、閥桿、球體及閥座密封圈，每批(指同批號、同材質、同規(guī)格、同爐號和同熱處理條件)材料至少抽驗一次化學成分和力學性能試驗，試驗結果應符合ASTM標準的要求。

　　(3)所有低溫閥門的鍛造材料和鑄造材料應逐件按MSSSP-55進行外觀檢查(VT)，對于鑄件熱裂和裂紋缺陷不允許出現(xiàn)，對于鍛件不允許存在發(fā)紋、裂紋、夾層及折疊等缺陷。其余缺陷合格標準不應低于MSSSP-55中的B級要求。

　　(4)鑄造承壓部件材料、對焊端部及與之進行焊接的過渡管段的所有焊縫應按照ASMEB16.34的要求進行射線檢測。驗收標準參見ASTME446、E186或E280，ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范SECV卷第五章并應滿足上述規(guī)范中A類、B類以及C類不連續(xù)性(缺陷)嚴重等級2的要求。不允許存在D、E、F以及G類缺陷。

　　(5)對低溫球閥的球體密封面、對焊端坡口的外表面，應進行液體滲透檢測，檢測按ASTME165標準進行，這些部位的液體滲透檢驗應無缺陷。

　　(6)鍛造承壓部件材料(包括閥桿)應進行超聲波檢驗，檢驗按ASTMA388標準進行。不得有任何深度達到5%壁厚的缺陷存在。

　　(7)閥門的缺陷清除以及補焊修復應按照ASMEB16.34第8.4節(jié)的規(guī)定。其中鍛制承壓部件不允許補焊修復。

　　(8)閥門的主要受壓元件(閥體、閥蓋、球體)材料應進行-196℃低溫沖擊試驗。試驗方法按ASTMA370的規(guī)定。

　　(9)評定閥體對焊端和短管的焊縫-196℃下的沖擊值。焊接工藝評定報告應按照ASMEB31.3標準要求，進行-196℃夏比V型沖擊試驗，標準試樣測試可以接受的最小橫向膨脹值為0.38mm。

　　(10)在超低溫工作溫度下，為保持材料的組織結構穩(wěn)定，防止材料相變而引起體積變化，并降低機械加工對零件變形的影響。對超低溫閥門，其和介質接觸的主要零部件均須進行深冷處理。將閥體、閥蓋、球體、閥座和閥桿等零件在粗加工后、精加工前浸放在液氮箱中進行冷卻，當零件溫度達到-196℃時，開始保溫1～2h，然后取出箱外自然處理到常溫，重復循環(huán)2次。零件在焊接后也應進行深冷處理以消除應力和變形。

4、超低溫固定球球閥的檢查和試驗

　　(1)對每個球閥要進行尺寸檢驗，端部尺寸和偏差應符合ASMEB16.10、ASMEB16.5、ASMEB16.25標準的要求。

　　(2)所有低溫球閥在裝配完成后，應進行常溫壓力試驗。按API598標準進行檢驗，包括①殼體水壓試驗。②高壓密封試驗。③低壓密封試驗。④閥腔的泄放試驗。

　　(3)常溫動作性能試驗中，手動和帶驅動裝置的球閥應當在球閥整機裝配后至少進行5次完整帶壓啟閉循環(huán)操作。帶驅動裝置的球閥進行壓力試驗時必須整機帶壓操作球閥。

　　(4)奧氏體不銹鋼材質的超低溫球閥其壓力試驗有特殊要求。①壓力試驗用水中的氯離子含量應低于0.03%。②壓力試驗完成后，試驗用水應立即排凈。球閥應徹底除水、除油脫脂處理。

　　(5)按ISO15848-2標準對閥桿和閥體密封件處進行逸散性泄漏檢測。

　　(6)按API6D附錄B.5的規(guī)定進行防靜電試驗。

　　(7)球閥低溫試驗在常溫試驗合格后進行，應按BS6364標準以同尺寸/類型/爐號和材料的球閥組成一批做低溫性能試驗，按10%比例進行抽檢，抽檢比例最少為一件。低溫試驗的溫度為-196℃。執(zhí)行低溫試驗前，閥門必需干燥，防止低溫試驗時未干的水固化，影響密封。閥門放入冷卻介質中后，應通以0.2MPa的氦氣，使閥門里的濕氣排除。閥門冷卻過程應有合理的熱電偶布置，對閥門的關鍵部位進行溫度監(jiān)控，確保閥門充分冷卻、溫度均勻后才能開始試驗。超低溫試驗一般采用液氮進行冷卻，用氦氣進行閥門泄漏測試。閥座密封試驗時，需采用分段式增壓。應保證低溫試驗后閥門自然回溫，回溫過程應防止潮氣進入閥門。低溫試驗的允許泄漏率見表3。

表3 閥門低溫試驗允許泄漏率

注：P為閥門承壓殼體材料在38℃(100°F)時的壓力額定值。

5、結語

　　隨著天然氣資源以其豐富的蘊藏量的開發(fā)和應用，LNG輸送很好的解決了管道天然氣(PNG)無法到達的城市天然氣的使用，其發(fā)展迅速，優(yōu)勢明顯，將會迎來一個廣闊的發(fā)展空間。在建和規(guī)劃建設的LNG接收站將最終構成一個沿海LNG接收站和輸送管網。隨著市場的放開及國家重大工業(yè)裝置/設備國產化政策及關鍵技術的突破，超低溫閥門的市場需求正逐年上升。通過合理的結構設計、強度計算、材料的檢驗、深冷處理，以及低溫性能試驗，可以使超低溫固定球球閥在功能、安全性及可靠性等方面滿足LNG工況的要求。