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低溫閥門在LNG領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及關(guān)鍵性設(shè)計(jì)要求

本文介紹了LNG接收站、天然氣液化工廠用低溫閥門的應(yīng)用概況。重點(diǎn)針對(duì)LNG領(lǐng)域苛刻工況用J-T閥的選型 要點(diǎn)進(jìn)行論述。總結(jié)提出低溫閥門工程設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。并提出國(guó)產(chǎn)閥門推廣應(yīng)用的下一步工作建議......

LNG作為一種高效的、可儲(chǔ)存的清潔能源，在產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)上都表現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。國(guó)內(nèi)天然氣液化工廠主要以小型為主，湖北黃岡最大處理規(guī)模已達(dá)到120萬(wàn)噸/年的液化能力。國(guó)內(nèi)LNG接收站儲(chǔ)備規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，截至目前中國(guó)海油已投產(chǎn)6座LNG接收站，LNG年接收能力超過(guò)2400萬(wàn)噸/年。

在LNG產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展過(guò)程中，與其配套的低溫閥門需求量與日俱增。由于LNG具有易燃易爆超低溫的顯著特點(diǎn)，而且LNG工廠通常地處海邊鹽霧環(huán)境，因此對(duì)低溫閥門的選型設(shè)計(jì)提出了更高的要求。目前國(guó)內(nèi)大部分站場(chǎng)的LNG用深冷閥門仍需進(jìn)口，有些苛刻工況用低溫閥門仍被國(guó)外所壟斷，如J-T閥，大型LNG儲(chǔ)罐的呼吸閥，大口徑、高磅級(jí)閥門等。盡管國(guó)內(nèi)材質(zhì)設(shè)計(jì)滿足低溫要求，但某些零部件的承壓和密封性能仍需改進(jìn)完善。

 LNG用低溫閥門型式

小型天然氣液化工廠中，低溫閥門主要集中在液化單元和LNG儲(chǔ)存單元，壓力等級(jí)不高，內(nèi)徑較小，其中較為苛刻工況為混合制冷循環(huán)工藝還用低溫混合制冷劑節(jié)流閥喝LNG節(jié)流閥這種多級(jí)降壓調(diào)節(jié)閥。據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，一般液化工廠用低溫閥門數(shù)量約占整個(gè)工廠閥門總量的30%。在LNG接收站中（主要指接收能力200萬(wàn)噸/年以上的大型站場(chǎng)），低溫閥門數(shù)量在2000個(gè)左右，其中小尺寸閥門數(shù)量約700個(gè)，低溫閥門占全部閥門的90%以上，部分閥門壓力等級(jí)較高，口徑較大。

LNG領(lǐng)域涉及的低溫及超低溫工況閥門主要包括單座直通閥（包括角閥）、球閥、蝶閥、截止閥、止回閥和安全閥。

LNG苛刻工況用閥門的選型要點(diǎn)

LNG苛刻工況用閥門舉例

J-T閥是LNG液化工廠中運(yùn)行工況最為惡劣的調(diào)節(jié)閥之一。目前采用最多的液化工藝流程是混合制冷劑循環(huán)，分別采用制冷劑J-T閥和LNG J-T閥對(duì)混和制冷劑和天然氣進(jìn)行節(jié)流降壓。混合制冷循環(huán)所用2個(gè)J-T閥，都在-150℃以下的超低溫環(huán)境，在閥門正常開(kāi)啟的條件下，J-T閥兩端承受的壓力通常在30～80bar之間。由于J-T閥處于高壓差和超低溫環(huán)境，易產(chǎn)生氣蝕，閥芯、閥座和閥體的表面容易損壞。若閥芯受損關(guān)不嚴(yán)，閥門在全關(guān)位置會(huì)出現(xiàn)泄漏、結(jié)霜現(xiàn)象。而且工藝上對(duì)J-T閥的性能要求較高。為達(dá)到制冷效果，使用過(guò)程中需保證閥兩端壓差和出口溫度穩(wěn)定，同時(shí)裝置變負(fù)荷時(shí)需對(duì)J-T閥進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。因此，在J-T閥選型中，除了要遵守低溫閥門設(shè)計(jì)的一般規(guī)則外，還須考慮在高壓差工況對(duì)閥內(nèi)件選型設(shè)計(jì)的特殊要求。

 J-T閥選型的特殊要求

1、閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)性能對(duì)比及其選型

一般冷劑用J-T閥和LNG J-T閥的壓差比都在0.9以上，需采用多級(jí)降壓手段。目前，閥內(nèi)件設(shè)計(jì)的基本思想是曲折通道、多級(jí)減壓、擴(kuò)大流動(dòng)區(qū)域和多孔設(shè)計(jì)等。這種結(jié)構(gòu)的閥內(nèi)件可以使高速流體在通過(guò)閥芯、閥座時(shí)每一點(diǎn)的壓力都高于在該溫度下的飽和蒸汽壓，主要有兩種結(jié)構(gòu)形式，多孔套筒式調(diào)節(jié)閥和迷宮式調(diào)節(jié)閥。

國(guó)外知名供應(yīng)商產(chǎn)品（如德國(guó)沃德WODE低溫閥門）的共性都是利用多級(jí)套筒實(shí)現(xiàn)逐級(jí)降壓，區(qū)別在于對(duì)迷宮式和多孔式套筒結(jié)構(gòu)的選用上，其中德國(guó)沃德WODE、CCI、MASONEILAN、Copes Vulcan、SevernGlocon等主要生產(chǎn)迷宮閥，Fisher和Flowsever（Valtek）主要生產(chǎn)多

孔套筒閥。迷宮控制閥對(duì)流速的控制強(qiáng)于多孔套筒閥。在選擇套筒閥級(jí)數(shù)時(shí)，若多孔套筒閥流速不滿足要求，應(yīng)選用迷宮閥。如采用迷宮閥芯，J-T閥壽命至少在兩年以上，壽命是套筒閥5～10倍。套筒鉆孔閥適用于小尺寸的多級(jí)減壓工況，大尺寸選迷宮閥。迷宮閥量程范圍較寬，但迷宮閥與多孔套筒閥相比價(jià)格更高。

2、出口流速的控制要求

高壓差產(chǎn)生氣蝕，介質(zhì)的高流速也直接影響閥體和閥內(nèi)件的使用壽命，需通過(guò)多通道設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行分級(jí)減壓，使調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體壓力-速度曲線變得平穩(wěn)過(guò)渡。因此，選擇閥內(nèi)件流道結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)控制介質(zhì)流速，盡量使高速流體撞擊，造成動(dòng)能的消耗，進(jìn)而減小氣蝕、振動(dòng)對(duì)閥門的磨損。應(yīng)滿足ISA標(biāo)準(zhǔn)給出的介質(zhì)流出閥內(nèi)件的速度和動(dòng)壓能的要求。

3、防堵塞設(shè)計(jì)

在液化工廠中，造成堵塞的原因主要有介質(zhì)中存在水蒸氣和CO2導(dǎo)致冰堵；管線吹掃不干凈殘留焊渣、銅屑等雜質(zhì)造成臟堵。因此，需考慮多級(jí)減壓套筒設(shè)計(jì)的防堵功能。盡量選擇光滑平穩(wěn)的流路，必要時(shí)應(yīng)縮小閥座直徑，以提高節(jié)流速度來(lái)提高“自潔”性能，還可配置足夠剛度和推力（力矩）的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

LNG低溫閥門選型關(guān)鍵技術(shù)

通用性低溫技術(shù)要求

LNG領(lǐng)域涉及的低溫或超低溫閥門應(yīng)滿足如下基本要求：

①低溫閥門須要加長(zhǎng)閥蓋，閥蓋應(yīng)為整體式螺栓連接結(jié)構(gòu)；

②應(yīng)裝備加長(zhǎng)閥桿，保證填料處于環(huán)境溫度，所有閥桿都是防吹出結(jié)構(gòu)。

③閥內(nèi)件應(yīng)易于拆卸，尤其是閥座可在線維護(hù)并易于更換，內(nèi)件和密封能   夠快速?gòu)拈y頂部拆卸，可在線維修。

④具有軟密封結(jié)構(gòu)的閥門應(yīng)采用防火設(shè)計(jì)。

⑤所有球閥都應(yīng)裝有泄壓裝置。

⑥具有外密封結(jié)構(gòu)的球閥、截止閥等應(yīng)具有外密封性能。

⑦閥體、內(nèi)件、閥蓋、閥桿、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等須設(shè)計(jì)成防靜電結(jié)構(gòu)。

低溫閥門選型注意事項(xiàng)

【1】承壓零部件的材質(zhì)選擇

材料質(zhì)量是衡量閥門強(qiáng)度可靠性和使用壽命的一個(gè)重要指標(biāo)。目前LNG用低溫閥門推薦選用奧氏體不銹鋼材料，閥體常用牌號(hào)有A351 Gr.CF3M、A182 Gr.F316L、A182 Gr.F304L；閥芯常用牌號(hào)有A351 Gr.CF8M、A182 Gr.F316、A182 Gr.F304。

【2】密封面型式及其材質(zhì)的選擇

LNG用低溫閥門通常采用硬密封結(jié)構(gòu)。閥芯（或閥板）材質(zhì)不低于316不銹鋼，在高壓差或易發(fā)生氣蝕或閃蒸的場(chǎng)合考慮采用硬質(zhì)不銹鋼或斯泰萊合金，在閥芯（或閥板）和閥座上堆焊STL合金。LNG用低溫球閥閥座密封推薦采用金屬密封+嵌入式軟密封，軟密封材質(zhì)可采用聚三氟氯乙烯（PTFCE）。閥桿填料一般推薦采用“唇式密封+石墨”的結(jié)構(gòu)。

【3】閥桿延長(zhǎng)長(zhǎng)度的合理確定

對(duì)于LNG超低溫介質(zhì)，閥蓋的延長(zhǎng)量是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)指標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)LNG項(xiàng)目閥門外漏80%原因都源自廠家為了節(jié)約成本沒(méi)有配置足夠的延長(zhǎng)閥蓋。BS6364以及殼牌（Shell）的MESC SPE77/200都對(duì)此長(zhǎng)度有不同的要求。殼牌的延長(zhǎng)度要求嚴(yán)格，但僅靠提高延長(zhǎng)量要求來(lái)保證填料不結(jié)冰缺少現(xiàn)場(chǎng)依據(jù)，建議以BS6364的中對(duì)非冷箱閥門的要求為基礎(chǔ)，綜合考慮材質(zhì)選擇、當(dāng)?shù)丨h(huán)境露點(diǎn)值以及各廠家項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)等多種因素，通過(guò)熱分析和實(shí)際的試驗(yàn)結(jié)論選擇延長(zhǎng)量。

【4】閥門配管附件的設(shè)計(jì)考慮

為防止破壞閥門的軟密封結(jié)構(gòu)，堆焊球閥兩端應(yīng)配置焊接短管。帶短管的球閥要求可以在線焊接。對(duì)于DN大于等于80mm的閥門，管道短管長(zhǎng)度不小于150mm，建議短管材質(zhì)與管道材質(zhì)保持一致。此外，所有閥蓋加長(zhǎng)的閥門應(yīng)有滴盤進(jìn)行保冷，保證填料箱處于環(huán)境溫度。滴盤需要跟閥蓋滿焊，材質(zhì)與閥體保持一致。

【5】低溫閥門的核心試驗(yàn)項(xiàng)目

應(yīng)對(duì)低溫閥門材料進(jìn)行檢驗(yàn)，尤其對(duì)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品，材料標(biāo)準(zhǔn)通常情況下要求較低，應(yīng)做好相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目，主要包括承壓部件及焊接連接處的射線探傷測(cè)試、液體滲透等無(wú)損探傷試驗(yàn)。零部件在加工過(guò)程中必須進(jìn)行低溫深冷處理，使材料相變充分。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料檢驗(yàn)滿足要求的前提下，閥門的殼體液壓測(cè)試、低壓氣密性試驗(yàn)、上密封泄漏測(cè)試（上密封結(jié)構(gòu)）及低溫泄漏測(cè)試是必須完成的測(cè)試項(xiàng)目。針對(duì)產(chǎn)品可以批量生產(chǎn)之前需進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn)、常溫性能試驗(yàn)、低溫性能試驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)、低溫壽命試驗(yàn)等五大類試驗(yàn)。

國(guó)產(chǎn)及進(jìn)口低溫閥門應(yīng)用建議

目前國(guó)內(nèi)LNG行業(yè)都不同程度地應(yīng)用了國(guó)產(chǎn)化低溫閥門。除了廣泛應(yīng)用進(jìn)口低溫閥門的品牌：KSB、德國(guó)沃德WODE、英國(guó)BESTOBELL等。中石油和中石化都成立了國(guó)產(chǎn)化工作小組，與能源局指定的蘇州紐威、大連大高以及中核蘇閥等廠家開(kāi)展聯(lián)合研制工作。中海油也在2“以下低溫球閥中采用了國(guó)產(chǎn)球閥。下一步建議從以下方面做好低溫閥門國(guó)產(chǎn)化工作的跟蹤和推廣工作

1）國(guó)產(chǎn)化實(shí)施工作應(yīng)對(duì)照一套完整且嚴(yán)格的閥門設(shè)計(jì)與應(yīng)用考核程序。從技術(shù)要求開(kāi)始，提出覆蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)計(jì)算、原材料采購(gòu)、原材料檢驗(yàn)與無(wú)損探傷后合格、機(jī)加工及檢驗(yàn)合格、熱處理及檢驗(yàn)合格、再次機(jī)加工及檢驗(yàn)合格、清洗及檢驗(yàn)合格、裝配、檢驗(yàn)與試驗(yàn)合格、專家鑒定、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等一整套國(guó)產(chǎn)化實(shí)施程序，并配備每個(gè)步驟的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

2）應(yīng)充分考慮首次應(yīng)用產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于3“以上球閥，大口徑蝶閥、止回閥、截止閥等國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)品，鑒于已有業(yè)績(jī)較少，在初次應(yīng)用時(shí)建議應(yīng)用場(chǎng)合盡量集中，避免產(chǎn)品過(guò)于分散，一旦發(fā)生泄漏將易于監(jiān)測(cè)和發(fā)現(xiàn)。因此，建議優(yōu)先選擇小型液化工廠、微型移動(dòng)液化裝置的液化單元進(jìn)行應(yīng)用推廣。

3）應(yīng)建立用戶實(shí)地調(diào)研及產(chǎn)品后評(píng)估機(jī)制。目前國(guó)內(nèi)LNG行業(yè)以小尺寸國(guó)產(chǎn)低溫球閥應(yīng)用業(yè)績(jī)最多，應(yīng)通過(guò)項(xiàng)目大修期間的檢修率考核大量應(yīng)用閥門的使用情況，尤其針對(duì)批量采購(gòu)而非試驗(yàn)性質(zhì)的應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。針對(duì)新研制的少量應(yīng)用的閥門，可設(shè)置一個(gè)考核期（8個(gè)月左右），用戶記錄產(chǎn)品的使用性能，并與國(guó)際一流產(chǎn)品的使用情況對(duì)比。

結(jié)束語(yǔ)

本文立足LNG行業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展前景，針對(duì)LNG產(chǎn)業(yè)鏈中兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，天然氣液化工廠及LNG接收站，梳理了常用低溫閥門的使用情況。針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)稍復(fù)雜、國(guó)產(chǎn)化難度較大的多級(jí)降壓閥，詳細(xì)分析了工藝要求及多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)的選型要點(diǎn)。總結(jié)了已建站場(chǎng)在低溫閥門設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方面的關(guān)鍵注意事項(xiàng)。提出國(guó)產(chǎn)閥門推廣應(yīng)用的下一步工作建議：結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況做好國(guó)產(chǎn)化考核流程、風(fēng)險(xiǎn)抑制、應(yīng)用性能收集等工作，持續(xù)提升我國(guó)LNG行業(yè)的核心配套設(shè)備制造水平。