低溫閥門在LNG領域的應用現狀及關鍵性設計要求

本文介紹了LNG接收站、天（tiān）然氣液化工廠用低溫閥（fá）門的應用概況（kuàng）。重（chóng）點針對LNG領域苛刻工況用J-T閥（fá）的選型 要點進行論述（shù）。總結提出低溫閥門（mén）工程設計的注（zhù）意事項。並提出國產閥門推（tuī）廣應用的下一步工作建議......

LNG作為一（yī）種高效的、可儲存的清潔能源，在產業鏈的各個環節上都表現出廣（guǎng）闊的發展前景。國（guó）內天然（rán）氣液化工廠主要以小型為主（zhǔ），湖北黃岡最大處理規模已達到（dào）120萬噸/年的液（yè）化能力。國內（nèi）LNG接收站（zhàn）儲備規模也在不斷擴大，截至目前中（zhōng）國海油已投產6座LNG接收站，LNG年接收能力超過2400萬噸/年。

在LNG產業（yè）的快速發展過程中，與其配套的低溫閥門需求（qiú）量與日俱（jù）增。由於LNG具有易燃易爆超低溫的顯著特點，而且LNG工廠通常地處海（hǎi）邊鹽霧環境，因此對低溫閥門（mén）的選型設計提出了更高的要求。目前國內大部分站場的LNG用深冷閥門（mén）仍需進口，有些（xiē）苛刻工況用低溫閥門仍被國外所壟（lǒng）斷，如J-T閥，大（dà）型（xíng）LNG儲罐的呼吸閥（fá），大口徑、高磅級閥門等。盡管國（guó）內（nèi）材（cái）質設計滿足低溫要求（qiú），但某（mǒu）些零部件的承壓和密封性（xìng）能仍需改進完善。

 LNG用低（dī）溫閥門型式

小型天然（rán）氣液化工廠中，低溫閥門主（zhǔ）要集中（zhōng）在液化單元和LNG儲（chǔ）存單元，壓力等級不高，內徑較小，其中較為苛刻工況為混合製（zhì）冷循環工藝還用低溫混合製（zhì）冷劑節流（liú）閥喝LNG節流閥這種多級降壓調節閥。據粗略統計，一般（bān）液化工廠用低溫（wēn）閥門（mén）數量約占整（zhěng）個工廠閥門總量的（de）30%。在LNG接收站中（主（zhǔ）要（yào）指接收能力200萬噸/年以上的（de）大型站場），低溫閥（fá）門數量在2000個左右，其中小尺寸閥門數量約700個，低溫閥門占全部閥（fá）門的90%以上，部分閥門壓（yā）力等級較高（gāo），口徑較大。

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

LNG苛刻（kè）工況用閥門的選型要點

LNG苛刻工況用閥門舉例

J-T閥是LNG液化工廠中（zhōng）運行工況最為惡（è）劣的（de）調節閥之一。目前采用最多的（de）液化工藝流程是混合製冷劑循（xún）環，分別采用製冷劑J-T閥和LNG J-T閥對混和製冷劑和天然氣進行節（jiē）流降壓。混合製冷循環所用（yòng）2個J-T閥，都在-150℃以下的超低溫（wēn）環境，在閥門正常開啟（qǐ）的條件下，J-T閥兩端承受的壓力通常在30～80bar之（zhī）間。由於J-T閥處於（yú）高壓差和超低溫環境，易產生（shēng）氣蝕，閥芯、閥座和（hé）閥體的（de）表麵容易損壞。若閥芯受（shòu）損關不嚴，閥門在全關位置會出現泄漏、結霜現象。而且工藝上對J-T閥的性能要求較高。為達到製冷效果，使用過（guò）程中需保證閥兩端（duān）壓差和出口溫度穩定，同時裝置變負荷時需對J-T閥進行精確（què）調節（jiē）。因此（cǐ），在J-T閥選型中，除了要遵守低溫閥門設計（jì）的（de）一般規則外，還須考（kǎo）慮在高壓差工況（kuàng）對閥內件選型設計的特殊（shū）要求。

 J-T閥選型的特殊要求

1、閥內件（jiàn）結構性能對比及其選型

一般冷劑用J-T閥（fá）和LNG J-T閥的壓差比都在0.9以上，需采用多級降壓（yā）手段。目前，閥內件設計（jì）的基本思（sī）想是曲折通道、多（duō）級減（jiǎn）壓、擴大流（liú）動區域和多孔設計等。這（zhè）種結構的閥內件可（kě）以使高速流體在通過閥芯、閥座時每一點的壓力都高於在該溫度下的飽和蒸汽壓（yā），主要有兩種結構形式，多孔套筒式調節閥和迷宮式調節閥。

國外知名（míng）供（gòng）應商產品（如德國沃德WODE低溫閥門）的共性都是利用多級套筒（tǒng）實現逐級（jí）降（jiàng）壓，區別在於對迷宮式和多孔式套筒結構的選用（yòng）上，其中德國沃德WODE、CCI、MASONEILAN、Copes Vulcan、SevernGlocon等主要生（shēng）產迷宮閥，Fisher和Flowsever（Valtek）主要生產多

孔套（tào）筒閥。迷宮控製閥對流速的（de）控製強於多（duō）孔套筒閥。在選擇套筒閥級數時，若多孔套筒閥流速不滿足（zú）要求，應選用迷宮閥。如采用迷宮閥芯，J-T閥壽命至少（shǎo）在兩（liǎng）年以上，壽命（mìng）是套筒閥5～10倍。套筒鑽孔（kǒng）閥適用於小尺寸的（de）多級減壓（yā）工況，大尺寸選迷宮閥。迷宮閥量程範圍較（jiào）寬（kuān），但（dàn）迷宮閥與多孔套筒閥相比價格更高（gāo）。

2、出（chū）口（kǒu）流速的控製要求

高（gāo）壓差產生氣蝕，介（jiè）質的（de）高流速也直接影（yǐng）響閥體和閥內件的使用壽命，需通過多通道（dào）設計的方法進行分級減壓，使調（diào）節閥內流體壓（yā）力-速度曲線變得平穩過（guò）渡。因此，選擇閥內件流道結構時，應重（chóng）點控製介質流速，盡量使（shǐ）高速流體撞擊，造成動能的（de）消耗，進而減小氣蝕、振動對（duì）閥門的磨損。應滿足ISA標準給出的介質流出閥內件的速度和（hé）動壓能的要求。

3、防堵（dǔ）塞設計

在液化工廠中，造成堵塞的原因主（zhǔ）要（yào）有介質中存在水蒸氣和CO2導致冰堵；管線吹掃不幹淨殘留（liú）焊渣、銅屑等雜質造成髒堵（dǔ）。因此，需考慮（lǜ）多級減壓套筒設計的防堵功能。盡量選擇光滑平穩（wěn）的（de）流路（lù），必要時應縮小閥座直徑，以提高節流速度來（lái）提高“自潔”性能，還可配置（zhì）足夠剛度和推力（力矩（jǔ））的執行機構。

LNG低（dī）溫閥（fá）門選型關鍵技術

通用性低溫技術要求

LNG領域涉及的低溫或超低溫閥門應滿足如下基（jī）本要求（qiú）：

①低溫閥門須要加長閥蓋，閥蓋應為整體式（shì）螺栓連接結構；

②應裝備加長閥杆，保證填料處（chù）於環境溫度，所有閥杆都是防（fáng）吹出結構。

③閥（fá）內件應易（yì）於拆卸，尤（yóu）其是閥座可在線（xiàn）維護並易於更換，內件和（hé）密封能   夠快速從閥頂部拆卸，可在線維（wéi）修。

④具有軟密封結構的閥門（mén）應采用防火設計。

⑤所有球閥都應裝有泄壓裝置。

⑥具有外密封結構的（de）球閥、截止閥等（děng）應具有外密封（fēng）性能。

⑦閥（fá）體（tǐ）、內件、閥蓋、閥杆、執行機構等須設計成防（fáng）靜電結構。

低溫閥門（mén）選型注意事（shì）項

【1】承（chéng）壓零部件的材質選擇

材料質量是衡量閥門強度可靠性和使用壽命的一個重要指標。目前LNG用低溫閥門推（tuī）薦選用奧氏體不鏽鋼材料（liào），閥體常（cháng）用牌號有A351 Gr.CF3M、A182 Gr.F316L、A182 Gr.F304L；閥（fá）芯（xīn）常用牌（pái）號有A351 Gr.CF8M、A182 Gr.F316、A182 Gr.F304。

【2】密封麵（miàn）型式及其材質的選擇

LNG用低溫閥門通常采用硬密封結構。閥芯（或閥板）材質不低於316不鏽鋼，在高壓（yā）差或（huò）易（yì）發生氣蝕或（huò）閃蒸的場合考慮采用硬質不鏽鋼或斯泰萊合（hé）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，軟密封材質可采用聚三氟氯乙烯（PTFCE）。閥杆填料一般推薦采用“唇式密封+石（shí）墨”的結構。

【3】閥杆延長長度的合理確定

對於LNG超（chāo）低溫介質，閥蓋的延長量（liàng）是關鍵的設計指標。現（xiàn）場LNG項目閥門外漏80%原因都源自廠家為了節約成（chéng）本沒有配置足（zú）夠的延長閥蓋。BS6364以及（jí）殼牌（Shell）的MESC SPE77/200都對此長度有不同的要求。殼牌的延長度要求嚴格，但僅靠（kào）提高延長量要（yào）求來保（bǎo）證填料不結冰缺少現場依據，建議以（yǐ）BS6364的中對非冷箱閥門的要求為基（jī）礎，綜合考慮材（cái）質選擇（zé）、當地環境露點值以及各廠家項目經驗（yàn）等多種因素，通過熱分析和實際的試（shì）驗結論選擇延長量。

【4】閥門配管附件的設（shè）計考（kǎo）慮

為（wéi）防止破壞閥門的軟密封結構（gòu），堆焊球閥兩端應配置焊接短管。帶短管（guǎn）的球閥要求可以在線焊接（jiē）。對於DN大於等於80mm的閥（fá）門（mén），管道短管長度不小於150mm，建議短（duǎn）管材質與管道（dào）材質保持一致。此外，所有閥蓋加長的閥門應有滴盤進行保冷，保證填料箱處於環境溫度。滴盤需（xū）要跟閥蓋滿焊，材質與閥體保（bǎo）持一致。

【5】低溫閥門（mén）的核心試驗項（xiàng）目

應（yīng）對低溫閥門材料進行檢驗（yàn），尤其對（duì）於國內產品，材料標準通常（cháng）情況下（xià）要求較低，應做好相關（guān）試驗檢測項目，主要包括（kuò）承（chéng）壓（yā）部件及焊接連接處的射線探傷測（cè）試、液體滲透等無損（sǔn）探傷試驗。零部件（jiàn）在加工過程中必須進行低溫深（shēn）冷處理，使材料相變（biàn）充分（fèn）。在結構設計和（hé）材（cái）料檢驗滿足要求的前提下，閥門的殼體液壓測試、低壓（yā）氣密性試驗、上密封泄漏測試（上密封（fēng）結構）及低溫（wēn）泄漏測試是必須完成的測試項目。針對產品可以批量生產之前需進行（háng）低溫衝擊試驗、常溫性能試驗、低溫性能試驗、無損檢測、低溫壽命試驗等五大類試驗。

國產及進口低溫閥門應（yīng）用建議

目前國內LNG行（háng）業都不同程度（dù）地（dì）應用了國產化低溫閥（fá）門。除了（le）廣泛應用進口低溫閥門的品牌：KSB、德國沃德WODE、英國BESTOBELL等。中石油和中石化都成立了國（guó）產化工作小組（zǔ），與能（néng）源局指定的蘇州紐（niǔ）威、大連（lián）大（dà）高以及中核蘇閥等廠家開展聯合研（yán）製工作。中海（hǎi）油也在2“以下低溫球閥中采用（yòng）了國產球閥。下（xià）一步建（jiàn）議（yì）從以下方麵做好低溫閥門國產化工作的跟（gēn）蹤和推廣工作（zuò）

1）國產化（huà）實施（shī）工作應對照一（yī）套完整且嚴格的閥門設計與應用考核程（chéng）序。從技術要求（qiú）開始，提（tí）出覆蓋產品設計、設計計算、原材料采購、原材料檢驗（yàn）與無損探傷（shāng）後合（hé）格、機（jī）加工及檢驗合格、熱處理及檢驗合格、再次機加工及檢驗合格、清洗及檢驗合格、裝配、檢（jiǎn）驗（yàn）與試驗合格、專家鑒定（dìng）、現場試驗等一整套國產化實施程序，並配備每個步（bù）驟（zhòu）的評估標準。

2）應充分考（kǎo）慮首次應用產品的國產（chǎn）化風險（xiǎn）。對於3“以上球閥，大口徑蝶閥、止回閥、截止閥等（děng）國產化產品，鑒於已有業績較少，在初次應用時建（jiàn）議（yì）應用場合盡（jìn）量集（jí）中，避免產品過於（yú）分（fèn）散，一旦發生泄漏將易於監測和發現（xiàn）。因此，建議優先選擇小（xiǎo）型液化工廠、微型移動液化裝置的液化單元進行應（yīng）用推廣。

3）應建立用戶實地調（diào）研及產品後評估（gū）機製。目前國內LNG行業以小尺寸國產低溫球閥應用業績最多，應通過項目大（dà）修期間的檢修率考核大量應用閥門（mén）的使用情況，尤其針對批量采購而非試驗性質的（de）應用場合進（jìn）行實地調研。針對新研製（zhì）的少量（liàng）應用的閥門，可設置一個考核期（8個月左右），用戶記（jì）錄（lù）產品的使用性能，並與國際一（yī）流產品的使用情況對比。

結束語

本文立足LNG行業的長（zhǎng）遠發展前景，針對LNG產業鏈中兩個關鍵環節，天然氣液化工廠及LNG接收站，梳理了常用低溫閥門的使（shǐ）用情況。針對結構設計（jì）稍複（fù）雜、國產化難度較大的多級降壓閥，詳細分析了（le）工藝要求及多級（jí）降壓結構的選型要點。總結了已建站場在低溫閥門設計及試驗方麵的關鍵注意事項。提出國產閥門推廣應用的下（xià）一步工作建議：結合實（shí）際應用情況做好國產化考核流程、風險抑製、應（yīng）用（yòng）性能收集等工作，持續提升我國LNG行業的核心配套設備製造水平。