全容式LNG 储罐罐顶仪表隔离阀选型技术研究

李广鑫 司红涛 杨公升 廉立伟 李 蕾 张强强

海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451

0 前言

LNG(Liquefied Natural Gas)接收站中，来自LNG 运输船的LNG 首先通过卸料臂经LNG 总管输送至陆上LNG 储罐进行存储。LNG 温度为－162 ℃，体积约为同量气态天然气体积的1 /600，极易蒸发。在LNG 储罐进料输送过程中，由于温度变化，储罐内LNG 蒸发量急剧上升，危险性大［1－3］。为防止LNG 储罐进料时液位超标、蒸发过快、储罐压力超高，需同时对LNG 储罐液位、压力、温度进行监控，必要时进行紧急关断，避免意外发生。

全容式LNG 储罐液位、压力、温度等参数［4－7］的监控仪表，因需通过储罐罐顶阀门进行连接安装及隔断维护，故称为罐顶仪表隔离阀。

全容式LNG 储罐工艺多由国外公司设计，但从未给出罐顶仪表隔离阀具体设计参数(材质、温度、压力等)，只根据工程经验来进行罐顶仪表隔离阀选型，无明确理论依据。实际工程设计中常选用超低温深冷阀门(非加长阀杆)或超低温深冷阀门(加长阀杆)，选型较保守。

天津LNG 储罐项目，由日本IHI 公司作为第三方进行审查，该公司推荐选用超低温深冷阀门方案。根据BS 6364－1984《低温阀门》(以下简称BS 6364－1984)要求，超低温深冷阀门需要做低温测试，测试温度－196 ℃，测试介质为液氮及氦气［8］。超低温深冷阀门需进口采办，测试成本高，制造周期长，因此有必要对罐顶仪表隔离阀选型进行优化。以全容式LNG 储罐罐顶仪表隔离阀为研究对象，分析储罐罐顶仪表隔离阀功能原理，结合LNG 储罐设计参数、LNG 储罐罐顶管嘴设计、仪表罐内护管设计、超低温深冷阀门的标准要求及罐顶仪表操作维修工艺，对LNG 储罐罐顶仪表隔离阀选型进行深入分析研究，找出罐顶仪表隔离阀选型的理论依据。据此，天津LNG 储罐项目未采用日本IHI 公司的推荐方案，而选用非低温奥氏体不锈钢阀门，运行良好。

1 储罐仪表及控制系统分析

1.1 储罐仪表及控制系统功能、要求

LNG 储罐运行期间危险性最大的事故是翻滚，翻滚会导致储罐内瞬间产生大量蒸发气，使储罐出现超压现象，如不及时通过安全阀排放，会造成储罐结构性损伤。

根据NFPA 59 A－2009《液化天然气生产、储存和装运标准》要求，LNG 储罐还应设置液位控制、温度控制、压力控制、内罐泄漏监控、紧急关断、密度检测仪表等仪表及控制系统。

典型LNG 储罐仪表管嘴、仪表隔离阀连接示意图见图1，储罐仪表管嘴功能说明见表1。

图1 典型LNG 储罐仪表管嘴、仪表隔离阀连接示意图

表1 储罐仪表管嘴功能说明

1.2 低温阀门与仪表管嘴结构分析

1.2.1 标准对低温阀门结构的要求

工程中低温阀门设计标准主要为BS 6364－1984 和MSS SP－134－2006《对低温阀门及其阀体/阀盖加长体的要求》(以下简称MSS SP－134－2006)。

1.2.1.1 BS 6364－1984 对阀门结构的要求

为防止低温介质冻住阀杆填料，导致阀门不能正常操作，BS 6364－1984 要求“低温阀门设置加长的阀盖/填料压套，加长的长度应足以使阀杆填料的温度保持在允许操作的填料材料的公称温度范围内”，并给出了冷箱式阀门阀杆的最小增加长度要求，带加长阀杆或填料压盖的阀门见图2。

1.2.2.2 MSS SP－134－2006 对阀门结构的要求

MSS SP－134－2006 规定“阀门上应有一个阀体/阀盖加长体，以使阀杆填料和阀门操作机构远离阀体/阀盖加长体内的低温介质。阀体/阀盖加长体应足够长以提供绝缘气柱，防止填料区域和操作装置冻结”。该标准同时还给出了非冷箱结构阀门加长阀杆的长度，典型的上螺纹带支架低温闸阀加长阀杆结构见图3，阀体/阀盖加长体的长度见表2［9］。

图2 带加长阀杆或填料压盖的阀门

图3 典型的上螺纹带支架低温闸阀加长阀杆结构

表2 阀体/阀盖加长体的长度 mm

1.2.2 阀门滴盘

为保证低温阀门的操作温度，工程设计中要求低温阀门设置滴盘，滴盘增加换热面积，保证阀门通过低温介质时，阀杆填料处在环境温度，典型低温阀门见图4。滴盘设计在各低温阀门制造厂已是成熟产品，不同厂家的滴盘设计大小及位置略有不同。

图4 典型低温阀门

1.2.3 管嘴及罐内护管的结构设计

以伺服液位计为例，伺服液位计护管上端连接到操作平台上仪表管嘴法兰，下端延伸到储罐底部，典型护管见图5。储罐内甲板上部，护管表面留有多个小孔，维持压力平衡，使浮子能够随液位变化而上下移动，测量液位高度。

图5 典型护管

仪表操作平台下需设置氮气和仪表气管线，考虑焊接施工要求，操作平台宜高出混凝土穹顶1 m 以上，管嘴法兰宜高出平台300 mm 以上，此段管线高出混凝土穹顶1.3 m 以上。

在混凝土穹顶外，护管用筋板加固，筋板表面积大于阀门滴盘面积，起到类似滴盘散热作用。

储罐内罐设计温度－165 ℃(介质为LNG)，外罐设计温度－15 ℃(介质为LNG 的蒸发气)，内罐和外罐之间，有1 m 厚绝热保护层。高出储罐罐顶混凝土穹顶部分管线不需进行保冷。

1.2.4 分析

对加长阀体/阀盖结构分析:仪表护管设计中，管内的绝缘气柱(不流动的天然气)长度为4 m 以上(外罐护管管道长度均值3 m 以上)，远大于6″球阀加长阀盖的长度，加长阀盖的长度为0.425 m(表2)，已超出MSS SP－134－2006 对低温阀门加长阀盖长度的规定，满足使用要求。

对滴盘结构分析:护管四周焊接不锈钢加强筋，换热面积大于滴盘，能够代替滴盘的热交换作用，防止填料区域和操作装置冻结。

因此，仪表护管管嘴设计，完全能替代或超越低温阀门标准对阀门结构的要求。无需对阀门进行加长阀体/阀盖及增加滴盘设计。

管嘴的设计温度和设计压力分析:

1)以图1 为例，对于K 3K 4K 1AK 1B 管嘴，其护管穿过罐内吊顶，储罐外罐设计温度最低为－15.4 ℃，设计压力为29 kPa。

2)阀门直接与仪表相连，完全暴露在空气中，管道内为不流通气体介质。标准状态下甲烷热导率为0.030 24［10］，热阻较大，不流通的甲烷气体起到绝热隔离作用，储罐外管道及阀门与外界进行热交换，热平衡后可认为管道及阀门温度为环境温度。

综上，仪表处于稳定工况下，根据ASME B 16.34－2009《法兰、螺纹和焊连接的阀门》(以下简称ASME B 16.34－2009)中阀门温压曲线，设计温度－29 ℃，设计压力1.96 MPa［11］规定，阀门材料可选用碳钢。

2 罐顶仪表隔离阀操作维修工艺

操作维修时，罐顶仪表隔离阀内部会有流动气态介质，若保证流动气态天然气介质温度在外罐温度－15 ±10 ℃，此阀门可选择碳钢阀门。为保证阀门操作温度(以伺服液位计为例)，可进行如下操作工艺步骤:

1)启动预装在阀门上部的电机，将护管内漂浮在LNG 表面浮子收回到外罐。

2)浮子在外罐内停留足够长时间(4 h 以上)，经传热使浮子和外罐温度一致或接近为止，约－15 ℃。

3)继续启动电机，将浮子收回并高于阀门。

4)停留1 h，待传热为环境温度时，关闭阀门。

5)卸下阀门上部连接仪表，取出浮子进行维修。

6)维修后，连接仪表，打开阀门，启动电机，放下浮子。

3 阀门材料选择

温压曲线是阀门材料选择的依据，根据ASME B 16.34－2009 中温压曲线规定，碳钢阀门标准等级下阀门最低温度－29 ℃，压力1.96 MPa;非低温奥氏体不锈钢阀门，标准等级下阀门温度－196 ℃时，压力1.9 MPa。材料温压等级见表3。

表3 材料温压等级

在稳定工况下，阀门材料可选用碳钢。若考虑极端工况(例如储罐内LNG 蒸发气通过阀门大量外漏)、操作工没有按照工艺要求进行操作，阀门瞬间通过低温气态天然气(－162 ℃)，阀体、阀球、阀盖等材质可选择奥氏体不锈钢316 或304，阀座内密封可采用耐低温材料PCTFE。即阀门材料选择与低温阀门一致，但不做－196 ℃下低温试验，不用加长阀盖，不加滴盘，无需遵守BS 6364－1984 设计标准，阀门亦完全满足耐低温要求。极端工况处理完毕，关闭阀门后，阀门仍可正常使用无损坏，满足设计要求。

天津LNG 储罐项目根据储罐外罐设计温度、设计压力及ASME B 16.34－2009 标准中阀门温压曲线对材料的要求，选用非低温奥氏体不锈钢阀门，应用中发现，此阀门及管线外表面未结冰，温度与环境温度相同，理论分析与实际应用吻合。

4 结论

1)本文以全容式LNG 储罐罐顶仪表隔离阀为研究对象，分析了标准对超低温深冷阀门的结构要求，及LNG 储罐罐顶管嘴和护管设计，并考虑操作维修工艺，找出LNG 储罐罐顶仪表隔离阀选型理论依据，得出LNG储罐罐顶仪表隔离阀可选用碳钢阀门或极端工况下选用非低温奥氏体不锈钢阀门的结论。

2)稳定工况下，阀门内部无流通介质，阀门设计温度可考虑为环境温度，碳钢阀门满足设计要求。极端工况下，储罐内LNG 蒸发气通过阀门排放到大气中，非低温奥氏体不锈钢阀门耐低温，满足设计要求，阀门无需进行加长杆设计、滴盘设计、低温测试，无需遵守BS 6364－1984 标准，仅需进行常温、常压下密封试验，验收标准为API 598－2009《阀门的检查和试验》。

3)天津LNG 储罐项目选用非低温奥氏体不锈钢仪表隔离阀，满足设计要求，节省了费用，缩短了采办周期。

［1］王武昌，李玉星，孙法峰.大型LNG 储罐内压力及蒸发率的影响因素分析［J］.天然气工业，2010，30(7):87－92.Wang Wuchang，Li Yuxing，Sun Fafeng.The Analysis of Influencing Factors on Pressure and Evaporativity in Large-scale LNG Storage Tanks［J］. Natural Gas Industry，2010，30(7):87－92.

［2］王金昌.16 ×104m3LNG 全容罐设计［J］.规划设计，2013，32(12):79－80.Wang Jinchang.Design on 16 ×104m3Full Containment LNG Storage Tank［J］. Planning and Design，2013，32(12):79－80.

［3］李春龙，王强林，石晓宇.LNG 储罐罐表系统选择简述［J］.中国仪器仪表，2010，(增刊):177－182.Li Chunlong，Wang Qianglin，Shi Xiaoyu. LNG Storage Tanks Instrument Selection Description［J］. China Instrumentatioin，2010，(Suppl):177－182.

［4］李海润，徐嘉爽，李兆慈.全容式LNG 储罐罐体温度场计算及分析［J］.天然气与石油，2012，30(4):15－19.Li Hairun，Xu Jiashuang，Li Zhaoci. Calculation and Analysis on Temperature Field in Full Containment LNG Tank［J］.Natural Gas and Oil，2012，30(4):15－19.

［5］付子航，宋 坤.大型LNG 储罐的完整性管理与解构［J］.油气储运，2012，31(7):481－485.Fu Zihang，Song Kun. Deconstruction and Integrity Management in Large-Scale LNG Tank［J］. Oil ＆ Gas Storage and Transportation，2012，31(7):481－485.

［6］彭 明，丁 乙.全容式LNG 储罐绝热性能及保冷系统研究［J］.天然气工业，2012，32(3):94－97.Peng Ming，Ding Yi. Research on the Full Containment LNG Storage Tank Insulation Performance and Style Cold System［J］.Natural Gas Industry，2012，32(3):94－97.

［7］NFPA 59A－2009，Standard for the Production，Storage，and Handling of Liquefied Natural Gas(LNG)［S］.

［8］BS 6364－1984，Specification for Valves for Cryogenic Service［S］.

［9］MSS SP－134－2006，Valves for Cryogenic Service Including Requirements for Body/Bonnet Extensions［S］.

［10］全国勘查设计注册工程师公用设备专业管理委员会秘书处.全国勘查设计注册公用设备工程师动力专业执业资格考试教材［M］.3 版. 北京:机械工业出版社，2013:515－515.Professional Management Committee Secretary of the National Exploration and Design Registered Utilities Engineer. Power Professional Qualification Examination Materials of the National Exploration and Design Registered Utilities Engineer［M］. 3rd ed. Beijing:China Machine Press，2013:515－515.

［11］ASME B 16.34－2009，Valves-Flanged，Threaded，and Welding End［S］.