摘要：液化天然气（LNG）在国民生产中占据越来越重要的位置。LNG装置中用到的深冷 阀门是项目的重要设备之一。本文从阀门的设计选型出发，阐述了LNG用 深冷阀门的材料选用及处理特殊要求；对LNG深冷阀门的型式选择做了说明；对LNG深冷阀门的设计和结构特点进行了分析；介绍了阀门检验试验要求等方面的特点和要求。 概述 天然气作为一种清洁高效的优质能源，在优化能源消费结构、改善大气环境、控制温室气体排放等方面发挥着重要作用。我国的天然气及LNG行业的发展对国家经济与社会的发展起着很大的促进作用。我国2010年LNG进口934万吨，比上年增长75%，LNG接收站、液化工厂、卫星站等工程建设如火如荼，LNG行业的快速发展，是天然气消费快速增长需求的强力保障。作为LNG装置中重要设备之一的深冷阀门，其设计选用和生产制造就显得非常关键。 LNG装置中配备的深冷阀门在安全性、可靠性方面比液氧、液氮阀门的要求更高，从参考标准、材料选择、结构形式、试验检验等方面有很多特殊的要求，本文从阀门选型设计的方面着手，对LNG工况下的深冷阀门进行阐述。 参考标准 制造及检验试验标准参照表1-LNG用深冷阀门的主要标准。对于设计标准，国际上采用较为通用的英国标准BS6364，该标准的低温测试内容被很多其他标准或企业标准所参考引用。SHELL公司对 低温阀门有自己的设计及检验标准。国标GB/T 24925（替换JB/T7749）对低温阀门也做了阐述，国标中增加了阀门精加工前的深冷处理要求。 表1-LNG用深冷阀门的主要标准 | 设计和制造标准 | | Valves for cryogenic service | | Valves-flanged, threaded, and welding end | | Valves in low temperature and cryogenic service | | Valves in services between zero and minus 50 degC | | | | Valves for cryogenic service including requirements for body/bonnet extensions | | | Valve inspection and testing | | Valves for cryogenic service | | Fugitive emission production testing | | Industrial valves measurement, test and qualification procedures for fugitive emissions |
材质选用及处理要求 LNG用深冷阀门在装置中起重要的切断、止回、调节等作用，在阀门选型时，不但要考虑一般阀门的设计原则，还需要保证在深冷工况及易燃易爆介质下安全、密封可靠、开关灵活等要求。 1. 主体材料选择 从晶体相学的角度出发，低温状态下不出现低温脆性的是晶格呈现面及铜合金、铝及铝合金等。铝在低温下不会出现低温脆性，但因铝及铝合金的硬度不高，铝密封面的耐磨、耐擦伤性能差；铜及铜合金的强度不高，所以在深冷阀门中的使用都有一定的限制。 从低温冲击强度的角度考虑，C和Cr的合金钢在低于-20℃时很快失去抗冲击强度，所以使用温度分别限制在-30℃和-50℃。含Ni量为35%的镍钢可以使用到-100℃，含Ni量9%的镍钢可以使用到-192℃。奥氏体不锈钢、镍、蒙乃尔合金、哈氏合金、钛、铝合金及青铜可以使用到更低的温度（-273℃）。 结合材料的可靠性和经济性，奥氏体不锈钢在低温工况下仍保持很高的韧性，组织稳定性好，强度硬度高、无冷脆、低温无润滑耐磨，是深冷工况理想的材料。如有焊接要求的阀门，需选择焊接性能好的低温材料。 2. 密封材料的选择 常用的氟塑料、橡胶在低温下变脆、冷流或对LNG介质有泡胀性，LNG阀门的垫片和填料处不可使用，石棉制品有致癌因素并且无法避免渗透性泄漏，因此也不使用。LNG阀门设计选用时，阀座多采用软密封结构，选用改性的聚三氟氯乙烯（PCTFE）材质，此选择也是为了补偿低温状态下金属变形造成的不良影响。法兰连接处及填料函选用石墨材料。 3. 低温处理 LNG介质的温度为-163℃，钢从奥氏体化状态快速冷却，在较低温度下低于Ms点发生马氏体转变。此时，铁原子和碳原子都不能进行扩散，其转变过程仅仅是Fe的晶格发生改组，这种无扩散型相变的宏观表现即是阀门零件的尺寸变化。研究表明马氏体晶格结构的单位体积比奥氏体大1.7%，体积膨大以及剪切力的传递引起晶格区的破裂，使工件局部表面鼓起，对阀门的密封性能和操作性能都可能造成严重后果。为了消除由于马氏体转变导致的体积变化，需要在阀门的精加工前做低温处理。 4. 阀门的清洁处理 阀门的压力试验（壳体强度试验、内泄漏检验等）以水为介质，而应用于LNG系统的阀门，在阀腔内存在水或其他杂质的情况下，低温状况下会凝结成固体，阀门的启闭运动会导致划伤密封面或是阀轴，引起阀门的内漏或外漏。因此阀门内件的清洁成为影响阀门性能的关键一步，采取水压试验后清洁阀门或者采用气压试验代替水压试验的方法比较可行。 型式选择 LNG装置中主要的阀门型式有： 球阀、 蝶阀、 截止阀、 止回阀。 闸阀在深冷工况下容易卡死，阀门推荐使用一体式结构，减少泄漏点以提高阀门的密封性，如采用顶装式结构，阀门应在上部设立检修孔。为减少泄漏，球阀采用软密封结构。 设计及结构特点 1. 加长阀杆设计，填料函抬高。阀门填料多采用石墨等非金属材料，低温条件下金属材料和非金属材料的膨胀系数不同，原本严密的配合会出现泄漏，如长阀杆的设计，使流体介质和填料之间形成一个过渡的空腔，阀杆处于一个梯度温度场内，填料处的温度处在填料函的正常工作温度区间内，保证阀门正常操作。标准中，MSS SP-134和BS 6364对阀杆的加长都有参考数值，SHELL公司的设计标准中也对此做了要求。 2. 中腔压力泄放结构，1m3的LNG体积是同等标准状态气体天然气的625倍，操作状态下LNG阀门（球阀、闸阀）的阀腔中会存有LNG，在间歇管线或者检修状态下，中腔存有的LNG可能会发生气化，导致阀门内部超压，甚至威胁到阀门的安全水平，为保证阀门的安全性，LNG阀门要求带中腔自泄压结构，使阀门内腔压力异常超压时，自动实现泄放。 3. 可靠的密封结构。控制外泄漏对于易燃易爆的LNG非常重要，处泄漏主要集中在阀体/压盖法兰处和上阀杆填料处，在阀体/压盖处及阀杆处引入唇式密封的密封方式，可以很好 控制阀门的外泄漏。德国对外泄漏有TA-LUFT认证，SHELL标准及ISO 15848对外泄漏的检验方法都做了说明。 4. 防火、防静电设计。防火防静电的要求，在LNG阀门的选型中属于必须项。防火要求参照API607防静电的要求能通过相关测试，在检验项目中可以抽检一部分比例的阀门做验证。 测试和检验的特点 低温阀门的测试和检验，除包含阀门在常温下的测试外，还有阀门在低温状态下的试验。 1. 低温试验。本检验参照BS6364执行，低温介质选用液氮（温度-196℃），压力介质采用氦气，主要检验阀门在低温工况下的内漏。 2. 外泄漏检验。低泄漏检测一般用氦质谱检测法在低温试验回常温后进行，可以验证温度对阀门密封的影响。该检验参照ISO15848-2执行。 3. 中腔泄压试验。为了保证阀门中腔自泄压结构的可靠性，阀门检验中可以对此项内容进行抽检，参照API6D附录B。 总结 LNG行业用低温阀门主要有球阀、蝶阀、截止阀、止回阀等。本选用说明对LNG用低温阀门的结构、性能做了简要说明；给出了相关的设计标准；探讨了LNG阀门在材料选择、型式选择、结构设计等方面区别于普通阀门的特殊要求；对低温阀门检验要求的特殊性进行了阐述。供设计者在LNG深冷阀门选用时做参考。 参考文献 【1】 BS 6364 低温阀门 1984 【2】 GB/T 24925 低温阀门技术条件 2010 【3】 API 6D Specification for pipeline valves 2008
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发表于 2014-12-19 11:27:14
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