LNG接收站用超低温球阀设计与优化措施

2020-01-19李晓坤中油辽河工程有限公司

环球市场 2020年32期

李晓坤中油辽河工程有限公司

LNG作为优秀的清洁能源受到各国青睐并成为首选燃料，是全球范围内增长最为迅猛的能源行业之一。国内LNG发展迅猛，自2006我国内地第一座LNG接收站完工，新的LNG接收站不断投产，中国不断扩大进口LNG规模，相应的阀门产品必定受到更高关注，超低温球阀设计与优化也成为研究重点。

一、LNG接收站用超低温球阀设计

（一）阀门材料选择

考虑到超低温球阀成本以及性能问题，在材料选择与处理方面区别于其他油气工程，应确保充分适用于LNG接收站。通常情况下，LNG存储在-162℃、0.1MPa左右的低温储存罐内。在严格的温度条件下，普通金属材料会发生低温冷脆情况，无法保证良好的塑性与韧性，无法为阀门性能与使用安全提供有效保障。为此，应选择奥氏体不锈钢材料作为超低温球阀承压部件的材料，主要原因是其在超低温条件下性能、金相组织相较稳定，具有良好的韧性、强度、耐腐蚀性、焊接性[1]。现阶段，Cr-Ni系奥氏体不锈钢广泛应用于超低温球阀阀体、阀盖的制作中。为避免上述材料投入使用时发生马氏体转变，有必要提前做好深冷处理。选择RTFE或PCTFE作为球阀密封圈，相比之下PCTFE机械强度、硬度略胜一筹，但成本较高。

（二）结构形式

基于LNG介质特性以及超低温工况下对阀门提出的保冷安全要求，需要明确超低温球阀结构形式要点。超低温球阀在实际应用过程中，极易受到阀门压力和口径影响，工作中出现卡阻、阀体异常升压等情况。LNG接收站用超低温球阀应满足以下几点要求：（1）采用顶装式结构：无须拆除阀门壳体，只需拆除上阀盖就可以达到在线检修和维护的目的。（2）一体化结构。阀体一体化，阀盖与阀杆一体化铸造，若为锻造需由法兰螺栓结构连接，尽可能减少泄漏点。（3）阀盖阀杆加长。适当加长设计。阀盖加长可满足填料温度适用条件，避免因过冷影响密封效果，阀杆加长可避免热量输入气化过度，有足够的保冷施工空间。（4）阀座泄压结构。以双阀座低温球阀为例，关闭时阀门中腔残留的低温LNG液体因吸收热量而逐渐气化导致体积剧增，即产生阀体异常升压现象，对阀门、管道以及相关设备有安全威胁。为避免这一现象出现，应设置阀座泄压结构，包括泄压孔和自泄压阀座。（5）防火防静电。要求在发生火灾的情况下，低温球阀仍具备密封性能，密封效果满足ISO10497、API607、API6FA等要求。防静电设计要求可以将阀腔内可能累积以及摩擦产生的静电荷通过接地装置有效导出，避免静电累积产生安全威胁。

（三）密封性能

密封性能是决定超低温球阀使用效果的关键指标，分为内、外密封性能。超低温球阀密封结构主要包括阀杆填料处、阀体连接处、内部阀座与球体间三种。内密封性能：按照阀座密封结构，超低温球阀可划分为固定球阀与浮动球阀两种。有关其密封性能需要严格依照相关测试标准和要求，通过低温试验有效测定。外密封性能：又称低逸散性能，是阀门组织介质向外逸散的能力，该项能力要求与安全问题和环境污染直接相关[2]。为保证良好的外密封性能，通常选择柔性石墨填料+唇式密封圈的结构设计，同时采用蝶形弹簧垫片预紧，不仅可以保证形成良好的密封结构，弹簧垫片一定程度上可以保证在低温条件下对填料预紧力起到补偿作用。

二、LNG接收站用超低温球阀优化措施

结合实际，针对超低温球阀在LNG接收站应用的难点问题，针对性提出优化措施。

（一）阀门试压相关问题

水压试验可能出现内部经多次操作后仍有水分的情况，较难保证各阀门内腔完全干燥，由此导致超低温LNG贯通后，填料内水分预冷结冰，阀杆与物料在操作中产生较大摩擦力，阻力较大甚至出现阀杆抱死或泄露情况，阀门密封性能失效。气压试验则存在设计压力高危险系数高的情况。

基于此，可采取以下方法：（1）分段试压，多次吹扫，给予一定温度补偿，在半开状态下风干干燥。（2）气压试验用泄露性试验替代。需严格按照GB/T20801-2006相关规定进行，并达到免除条件。

（二）阀门泄漏相关问题

超低温球阀出现泄漏问题的主要原因包括阀门内漏和外漏两种情况。阀门内漏：一种原因为低温工况导致的密封材料变形，密封不严而产生泄露。另一种原因可能为阀门吹扫过程中有金属颗粒等杂质进入阀门内部，操作时摩擦并损坏阀座和阀体，导致内漏问题出现。阀门外漏：原因一，超低温球阀结构中的连接垫片、螺栓在超低温条件下未能同步收缩。原因二，非金属材料填料与金属材料膨胀指数存在较大差异，尽管采取对填料压盖螺旋以及弹簧垫片预紧的方式，在超低温条件下起到一定程度预紧力补偿的效果，但仍存在填料密封不严而导致泄漏。原因三，阀杆位置泄漏。超低温换将使得阀杆连接处泄漏而结冰，造成阀门启用失灵。

对于上述阀门泄漏原因，一方面需要加强阀门自身质量，在阀门制造阶段充分考虑到极端工况，生产出高质量的超低温球阀，保证良好的应用效果。阀门安装过程中加强施工监管，确保安装质量。LNG接收站选择的超低温球阀充分考虑到材料、结构等设计问题。另一方面，应保证阀门通道与管线有效连通，通过加强管理始终保持阀门内良好的清洁度，避免阀腔内堆积焊渣、铁屑等杂物。