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

本文主要內(nèi)容為介紹LNG接收站、天然氣液化工廠用低溫閥門的實際應(yīng)用概況。針對LNG領(lǐng)域苛刻工況用J-T閥的選型要點展開論述，總結(jié)提出低溫閥門工程設(shè)計的注意事項，并提出國產(chǎn)閥門推廣應(yīng)用的下一步工作建議。

LNG作為一種高效的、可儲存的清潔能源，在產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)上都具有廣闊的發(fā)展前景。國內(nèi)天然氣液化工廠主要以小型為主，湖北黃岡處理規(guī)模已達到120萬噸/年的液化能力。國內(nèi)其他LNG接收站儲備規(guī)模也在不斷擴大，截至目前中國海油已投產(chǎn)6座LNG接收站，LNG年接收能力超過2400萬噸/年。

在LNG產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展過程中，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，且LNG工廠通常地處海邊鹽霧環(huán)境，因此對低溫閥門的選型設(shè)計提出更高的要求。目前國內(nèi)大部分站場的LNG用深冷閥門仍需進口，有些苛刻工況用低溫閥門仍被國外所壟斷，如J-T閥、大型LNG儲罐的呼吸閥、大口徑高磅級閥門等。盡管國內(nèi)材質(zhì)設(shè)計已滿足低溫要求，但某些零部件的承壓和密封性能仍需改進優(yōu)化。

　  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儲存單元，壓力等級不高，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)流閥和LNG節(jié)流閥這種多級降壓調(diào)節(jié)閥。據(jù)粗略統(tǒng)計，一般液化工廠用低溫閥門數(shù)量約占整個工廠閥門總量的30%。在LNG接收站中（主要指接收能力200萬噸/年以上的大型站場），低溫閥門數(shù)量在2000個左右，其中小尺寸閥門數(shù)量約700個，低溫閥門占全部閥門的90%以上，部分閥門壓力等級較高，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。

球閥                偏心蝶閥                 蝶閥                 閘閥                止回閥

LNG接收站低溫閥門使用情況統(tǒng)計：

LNG苛刻工況用閥門的選型要點：

以LNG苛刻工況用閥門舉例

J-T閥是LNG液化工廠中運行工況最為惡劣的調(diào)節(jié)閥之一。目前采用較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閥對混和制冷劑和天然氣進行節(jié)流降壓。混合制冷循環(huán)所用的2個J-T閥，都在-150℃以下的超低溫環(huán)境，在閥門正常開啟的條件下，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。若閥芯受損無法關(guān)嚴，閥門在全關(guān)位置會出現(xiàn)泄漏、結(jié)霜現(xiàn)象，且工藝上對J-T閥的性能要求較高。為達到制冷效果，使用過程中需保證閥兩端壓差和出口溫度穩(wěn)定，同時裝置變負荷時需對J-T閥進行調(diào)節(jié)。因此，在J-T閥選型中，除了要遵守低溫閥門設(shè)計的一般規(guī)則外，還須考慮在高壓差工況對閥內(nèi)件選型設(shè)計的特殊要求。

J-T閥選型的特殊要求

J-T閥就是焦耳-湯姆遜節(jié)流膨脹閥，利用焦耳-湯姆遜節(jié)流膨脹原理設(shè)計的節(jié)流閥門。節(jié)流膨脹（Throttling Expansion）也叫焦耳湯姆遜膨脹，即較高壓力下的流體（氣或液）經(jīng)多孔塞（或節(jié)流閥）向較低壓力方向絕熱膨脹過程。調(diào)節(jié)閥在管道中起可變阻力作用，它改變工藝流體的紊流度或者在層流情況下提供一個壓力降，壓力降是由改變閥門阻力或“摩擦”所引起的，這一壓力降低過程通常稱為“節(jié)流”。對于氣體，它接近于等溫絕熱狀態(tài)，偏差取決于氣體的非理想程度。在液體的情況下，壓力則為紊流或粘滯摩擦所消耗，這兩種情況都把壓力轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致溫度略為升高。J-T閥門多用來實現(xiàn)降溫，常用于天然氣處理和液化工藝中。J-T閥門前后壓差較大，介質(zhì)溫度超低，容易產(chǎn)生汽蝕，容易損壞。因此，多采用多級降壓控制閥。

1、閥內(nèi)件結(jié)構(gòu)性能對比及其選型

一般冷劑用J-T閥和LNG J-T閥的壓差比都在0.9以上，需采用多級降壓手段。目前，閥內(nèi)件設(shè)計的基本思想是曲折通道、多級減壓、擴大流動區(qū)域和多孔設(shè)計等。這種結(jié)構(gòu)的閥內(nèi)件可以使高速流體在通過閥芯、閥座時每一點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。

國外知名供應(yīng)商產(chǎn)品（如德國沃德WODE低溫閥門）的共性都是利用多級套筒實現(xiàn)逐級降壓，區(qū)別在于對迷宮式和多孔式套筒結(jié)構(gòu)的選用上，其中德國沃德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。迷宮控制閥對流速的控制強于多孔套筒閥，在選擇套筒閥級數(shù)時，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，需通過多通道設(shè)計的方法進行分級減壓，使調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體壓力、速度曲線平穩(wěn)過渡。因此，選擇閥內(nèi)件流道結(jié)構(gòu)時，應(yīng)著重控制介質(zhì)流速，盡量使高速流體撞擊，造成動能的消耗，進而減小氣蝕、振動對閥門的磨損。應(yīng)滿足ISA標(biāo)準給出的介質(zhì)流出閥內(nèi)件的速度和動壓能的要求。

3、防堵塞設(shè)計

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，需考慮多級減壓套筒設(shè)計的防堵功能，盡量選擇光滑平穩(wěn)的流路，必要時應(yīng)縮小閥座直徑，以提高節(jié)流速度來提高“自潔”性能，還可配置足夠剛度和推力（力矩）的執(zhí)行機構(gòu)。

LNG低溫閥門選型關(guān)鍵技術(shù)

1、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并易于更換，內(nèi)件和密封能夠快速從閥頂部拆卸，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；

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)行機構(gòu)等須設(shè)計成防靜電結(jié)構(gòu)。

2、低溫閥門選型注意事項

【1】承壓零部件的材質(zhì)選擇

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

【2】密封形式及其材質(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】閥桿延長長度的合理確定

對于LNG超低溫介質(zhì)，閥蓋的延長量是關(guān)鍵的設(shè)計指標(biāo)。現(xiàn)場LNG項目閥門外漏80%原因都源自廠家為了節(jié)約成本沒有配置足夠的延長閥蓋。BS6364以及殼牌（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，但僅靠提高延長量要求來保證填料不結(jié)冰缺少現(xiàn)場依據(jù)，建議以BS6364中對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)境露點值以及各廠家項目經(jīng)驗等多種因素，通過熱分析和實際的試驗結(jié)論選擇延長量。

【4】閥門配管附件的設(shè)計考慮

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。對于DN大于等于80mm的閥門，管道短管長度不小于150mm，建議短管材質(zhì)與管道材質(zhì)保持一致。此外，所有閥蓋加長的閥門應(yīng)有滴盤進行保冷，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項目

應(yīng)對低溫閥門材料進行檢驗，尤其對于國內(nèi)產(chǎn)品，材料標(biāo)準通常情況下要求較低，應(yīng)做好相關(guān)試驗檢測項目，主要包括承壓部件及焊接連接處的射線探傷測試、液體滲透等無損探傷試驗。零部件在加工過程中必須進行低溫深冷處理，使材料相變充分。在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料檢驗滿足要求的前提下，閥門的殼體液壓測試、低壓氣密性試驗、上密封泄漏測試（上密封結(jié)構(gòu)）及低溫泄漏測試是必須完成的測試項目。針對產(chǎn)品可以批量生產(chǎn)之前需進行低溫沖擊試驗、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(chǎn)及進口低溫閥門應(yīng)用建議

目前國內(nèi)LNG行業(yè)都不同程度地應(yīng)用了國產(chǎn)化低溫閥門，除了廣泛應(yīng)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展聯(lián)合研制工作；中海油也在2“低溫球閥中采用了國產(chǎn)球閥。下一步建議從以下方面做好低溫閥門國產(chǎn)化工作的跟進和推廣工作：

1）國產(chǎn)化實施工作應(yīng)對照一套完整且嚴格的閥門設(shè)計與應(yīng)用考核程序。從技術(shù)要求開始，提出覆蓋產(chǎn)品設(shè)計、設(shè)計計算、原材料采購、原材料檢驗與無損探傷后合格、機加工及檢驗合格、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、檢驗與試驗合格、相關(guān)人士鑒定、現(xiàn)場試驗等一整套國產(chǎn)化實施程序，并配備每個步驟的評估標(biāo)準。

2）應(yīng)充分考慮初次應(yīng)用產(chǎn)品的國產(chǎn)化風(fēng)險。對于3“以上球閥，大口徑蝶閥、止回閥、截止閥等國產(chǎn)化產(chǎn)品，鑒于已有業(yè)績較少，在初次應(yīng)用時建議應(yīng)用場合盡量集中，避免產(chǎn)品過于分散，一旦發(fā)生泄漏將易于監(jiān)測和發(fā)現(xiàn)。因此，建議優(yōu)先選擇小型液化工廠、微型移動液化裝置的液化單元進行應(yīng)用推廣。

3）應(yīng)建立用戶實地調(diào)研及產(chǎn)品后評估機制。目前國內(nèi)LNG行業(yè)以小尺寸國產(chǎn)低溫球閥應(yīng)用業(yè)績多，應(yīng)通過項目大修期間的檢修率考核大量應(yīng)用閥門的使用情況，尤其針對批量采購而非試驗性質(zhì)的應(yīng)用場合進行實地調(diào)研。針對新研制的少量應(yīng)用的閥門，可設(shè)置一個考核期（8個月左右），用戶記錄產(chǎn)品的使用性能，并與國際一流廠家的產(chǎn)品的使用情況對比。 

結(jié)束語：

本文立足于LNG行業(yè)的長遠發(fā)展前景，針對LNG產(chǎn)業(yè)鏈中兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，天然氣液化工廠及LNG接收站，闡述了常用低溫閥門的使用情況。針對結(jié)構(gòu)設(shè)計稍復(fù)雜、國產(chǎn)化難度較大的多級降壓閥，詳細探討了工藝要求及多級降壓結(jié)構(gòu)的選型要點。總結(jié)了已建站場在低溫閥門設(shè)計及試驗方面的關(guān)鍵注意事項。提出國產(chǎn)閥門推廣應(yīng)用的下一步工作建議：結(jié)合實際應(yīng)用情況做好國產(chǎn)化考核流程、風(fēng)險舒緩、應(yīng)用性能收集等工作，持續(xù)提升我國LNG行業(yè)的核心配套設(shè)備制造水平。