1、概述

　　液化天然氣(LNG)作為一種清潔燃料，已成為城市管道供氣、分布式能源系統(tǒng)、汽車及飛機(jī)等交通工具的主要能源之一。LNG是天然氣在經(jīng)凈化及超低溫狀態(tài)下(-162℃、一個(gè)大氣壓)冷卻液化的產(chǎn)物。液化后的天然氣體積約為天然氣體積的1/600(0℃、1個(gè)大氣壓時(shí))。LNG無(wú)色無(wú)味，主要成分為甲烷，很少有其他雜質(zhì)。其液體密度約426kg/m3，此時(shí)氣體密度約1.5kg/m3。爆炸極限為5%～15%(體積%)，燃點(diǎn)為450℃。天然氣液化、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和汽化等工藝配套設(shè)備的建設(shè)，給超低溫閥門(mén)的發(fā)展帶來(lái)了契機(jī)。LNG接收站主要的截?cái)嚅y類有超低溫球閥、超低溫閘閥、超低溫截止閥和超低溫蝶閥，其中超低溫球閥用量較多。

2、超低溫固定球球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　2.1、閥體

　　超低溫固定球球閥為全通徑(圖1)結(jié)構(gòu)，閥門(mén)在全開(kāi)啟位置時(shí)無(wú)阻擋，內(nèi)部通徑符合API6D的規(guī)定。閥體為一體式結(jié)構(gòu)，相對(duì)于二片式或三片式閥體，減少了泄漏點(diǎn)。閥門(mén)為頂裝式結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在線更換內(nèi)部密封件，公稱直徑≥NPS2的超低溫球閥設(shè)計(jì)為固定球。

1.閥體2.閥蓋3.滴盤(pán)4.支架5.閥桿6.齒輪驅(qū)動(dòng)裝置

圖1 超低溫固定球球閥

　　2.2、閥蓋

　　采用加長(zhǎng)閥蓋，其目的在于能起保護(hù)填料函的功能。保證填料函部位的溫度在0℃以上，使填料可以正常工作。加長(zhǎng)閥蓋的設(shè)計(jì)主要是頸部長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)，其與材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積及表面散熱系數(shù)、散熱面積等因素有關(guān)，計(jì)算比較繁瑣，一般由實(shí)驗(yàn)法求得或采用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)查閱了具體數(shù)據(jù)，可以按表1確定。

表1 加長(zhǎng)閥蓋頸部長(zhǎng)度L(mm)

　　2.3、滴盤(pán)

　　加長(zhǎng)閥蓋設(shè)置有滴盤(pán)，可以防止冷凝水流入保溫層。滴盤(pán)的位置同時(shí)標(biāo)明了低溫球閥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保溫材料的最高位置。在閥蓋上鉆一連通孔，使加長(zhǎng)段空腔與閥門(mén)中腔連通，確保不會(huì)使加長(zhǎng)段空腔產(chǎn)生異常升壓。

　　2.4、自泄壓

　　中腔異常升壓的泄放通過(guò)自泄壓閥座來(lái)實(shí)現(xiàn)，中腔自泄壓方向?yàn)樯嫌喂艿馈?/p>

　　2.5、閥桿密封

　　閥桿處密封為低泄漏、低維護(hù)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)具體尺寸設(shè)計(jì)成二道或多道密封，使閥桿處密封等級(jí)滿足ISO15848-2的B級(jí)要求，還可防止水壓試驗(yàn)時(shí)有水進(jìn)入到柔性石墨填料內(nèi)，耐久等級(jí)滿足ISO15848-1的C01級(jí)。在填料壓板螺栓連接處設(shè)置有碟形彈簧，進(jìn)行過(guò)載荷補(bǔ)償，避免了溫度交變下的活動(dòng)載荷的影響。

　　在閥桿與球體結(jié)合部以及閥桿與閥蓋接觸處有防靜電裝置(鋼球和彈簧)，防止靜電在球體上積聚。在12V直流電下測(cè)試，球體與閥蓋及閥桿與閥蓋之間的電阻值不超過(guò)10Ω。超低溫固定球球閥還應(yīng)設(shè)計(jì)滿足API6FA或API607標(biāo)準(zhǔn)的安全防火結(jié)構(gòu)。

　　2.6、閥座密封

　　在超低溫狀態(tài)下，閥座與閥體配合處的密封采用唇式密封圈(圖2)是最合適的選擇。唇式密封圈本身精度要求高，同時(shí)對(duì)配合金屬零件的精度和表面光潔度要求也較高。閥座密封圈材料采用超低溫性能優(yōu)異的PCTFE(kel-f)，其性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 唇式密封圈

表2 閥座密封圈材料性能

　　2.7、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

　　閥門(mén)在閥桿與垂線成30°夾角時(shí)，能夠正常操作。手動(dòng)球閥(包括采用執(zhí)行器、齒輪驅(qū)動(dòng)裝置)均應(yīng)設(shè)置鎖定裝置，使超低溫球閥可以在全開(kāi)啟或全關(guān)閉的位置都能夠被鎖定。執(zhí)行機(jī)構(gòu)可在線更換維修，亦能在結(jié)冰的條件下操作。

3、超低溫固定球球閥的主體材料檢驗(yàn)

　　(1)材料的檢驗(yàn)與試驗(yàn)應(yīng)符合相應(yīng)EN10204及ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　(2)對(duì)于閥體、閥蓋、閥桿、球體及閥座密封圈，每批(指同批號(hào)、同材質(zhì)、同規(guī)格、同爐號(hào)和同熱處理?xiàng)l件)材料至少抽驗(yàn)一次化學(xué)成分和力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　(3)所有低溫閥門(mén)的鍛造材料和鑄造材料應(yīng)逐件按MSSSP-55進(jìn)行外觀檢查(VT)，對(duì)于鑄件熱裂和裂紋缺陷不允許出現(xiàn)，對(duì)于鍛件不允許存在發(fā)紋、裂紋、夾層及折疊等缺陷。其余缺陷合格標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)低于MSSSP-55中的B級(jí)要求。

　　(4)鑄造承壓部件材料、對(duì)焊端部及與之進(jìn)行焊接的過(guò)渡管段的所有焊縫應(yīng)按照ASMEB16.34的要求進(jìn)行射線檢測(cè)。驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參見(jiàn)ASTME446、E186或E280，ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范SECV卷第五章并應(yīng)滿足上述規(guī)范中A類、B類以及C類不連續(xù)性(缺陷)嚴(yán)重等級(jí)2的要求。不允許存在D、E、F以及G類缺陷。

　　(5)對(duì)低溫球閥的球體密封面、對(duì)焊端坡口的外表面，應(yīng)進(jìn)行液體滲透檢測(cè)，檢測(cè)按ASTME165標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，這些部位的液體滲透檢驗(yàn)應(yīng)無(wú)缺陷。

　　(6)鍛造承壓部件材料(包括閥桿)應(yīng)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，檢驗(yàn)按ASTMA388標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。不得有任何深度達(dá)到5%壁厚的缺陷存在。

　　(7)閥門(mén)的缺陷清除以及補(bǔ)焊修復(fù)應(yīng)按照ASMEB16.34第8.4節(jié)的規(guī)定。其中鍛制承壓部件不允許補(bǔ)焊修復(fù)。

　　(8)閥門(mén)的主要受壓元件(閥體、閥蓋、球體)材料應(yīng)進(jìn)行-196℃低溫沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)方法按ASTMA370的規(guī)定。

　　(9)評(píng)定閥體對(duì)焊端和短管的焊縫-196℃下的沖擊值。焊接工藝評(píng)定報(bào)告應(yīng)按照ASMEB31.3標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行-196℃夏比V型沖擊試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)試樣測(cè)試可以接受的最小橫向膨脹值為0.38mm。

　　(10)在超低溫工作溫度下，為保持材料的組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止材料相變而引起體積變化，并降低機(jī)械加工對(duì)零件變形的影響。對(duì)超低溫閥門(mén)，其和介質(zhì)接觸的主要零部件均須進(jìn)行深冷處理。將閥體、閥蓋、球體、閥座和閥桿等零件在粗加工后、精加工前浸放在液氮箱中進(jìn)行冷卻，當(dāng)零件溫度達(dá)到-196℃時(shí)，開(kāi)始保溫1～2h，然后取出箱外自然處理到常溫，重復(fù)循環(huán)2次。零件在焊接后也應(yīng)進(jìn)行深冷處理以消除應(yīng)力和變形。

4、超低溫固定球球閥的檢查和試驗(yàn)

　　(1)對(duì)每個(gè)球閥要進(jìn)行尺寸檢驗(yàn)，端部尺寸和偏差應(yīng)符合ASMEB16.10、ASMEB16.5、ASMEB16.25標(biāo)準(zhǔn)的要求。

　　(2)所有低溫球閥在裝配完成后，應(yīng)進(jìn)行常溫壓力試驗(yàn)。按API598標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，包括①殼體水壓試驗(yàn)。②高壓密封試驗(yàn)。③低壓密封試驗(yàn)。④閥腔的泄放試驗(yàn)。

　　(3)常溫動(dòng)作性能試驗(yàn)中，手動(dòng)和帶驅(qū)動(dòng)裝置的球閥應(yīng)當(dāng)在球閥整機(jī)裝配后至少進(jìn)行5次完整帶壓?jiǎn)㈤]循環(huán)操作。帶驅(qū)動(dòng)裝置的球閥進(jìn)行壓力試驗(yàn)時(shí)必須整機(jī)帶壓操作球閥。

　　(4)奧氏體不銹鋼材質(zhì)的超低溫球閥其壓力試驗(yàn)有特殊要求。①壓力試驗(yàn)用水中的氯離子含量應(yīng)低于0.03%。②壓力試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)用水應(yīng)立即排凈。球閥應(yīng)徹底除水、除油脫脂處理。

　　(5)按ISO15848-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)閥桿和閥體密封件處進(jìn)行逸散性泄漏檢測(cè)。

　　(6)按API6D附錄B.5的規(guī)定進(jìn)行防靜電試驗(yàn)。

　　(7)球閥低溫試驗(yàn)在常溫試驗(yàn)合格后進(jìn)行，應(yīng)按BS6364標(biāo)準(zhǔn)以同尺寸/類型/爐號(hào)和材料的球閥組成一批做低溫性能試驗(yàn)，按10%比例進(jìn)行抽檢，抽檢比例最少為一件。低溫試驗(yàn)的溫度為-196℃。執(zhí)行低溫試驗(yàn)前，閥門(mén)必需干燥，防止低溫試驗(yàn)時(shí)未干的水固化，影響密封。閥門(mén)放入冷卻介質(zhì)中后，應(yīng)通以0.2MPa的氦氣，使閥門(mén)里的濕氣排除。閥門(mén)冷卻過(guò)程應(yīng)有合理的熱電偶布置，對(duì)閥門(mén)的關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度監(jiān)控，確保閥門(mén)充分冷卻、溫度均勻后才能開(kāi)始試驗(yàn)。超低溫試驗(yàn)一般采用液氮進(jìn)行冷卻，用氦氣進(jìn)行閥門(mén)泄漏測(cè)試。閥座密封試驗(yàn)時(shí)，需采用分段式增壓。應(yīng)保證低溫試驗(yàn)后閥門(mén)自然回溫，回溫過(guò)程應(yīng)防止潮氣進(jìn)入閥門(mén)。低溫試驗(yàn)的允許泄漏率見(jiàn)表3。

表3 閥門(mén)低溫試驗(yàn)允許泄漏率

注：P為閥門(mén)承壓殼體材料在38℃(100°F)時(shí)的壓力額定值。

5、結(jié)語(yǔ)

　　隨著天然氣資源以其豐富的蘊(yùn)藏量的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，LNG輸送很好的解決了管道天然氣(PNG)無(wú)法到達(dá)的城市天然氣的使用，其發(fā)展迅速，優(yōu)勢(shì)明顯，將會(huì)迎來(lái)一個(gè)廣闊的發(fā)展空間。在建和規(guī)劃建設(shè)的LNG接收站將最終構(gòu)成一個(gè)沿海LNG接收站和輸送管網(wǎng)。隨著市場(chǎng)的放開(kāi)及國(guó)家重大工業(yè)裝置/設(shè)備國(guó)產(chǎn)化政策及關(guān)鍵技術(shù)的突破，超低溫閥門(mén)的市場(chǎng)需求正逐年上升。通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、材料的檢驗(yàn)、深冷處理，以及低溫性能試驗(yàn)，可以使超低溫固定球球閥在功能、安全性及可靠性等方面滿足LNG工況的要求。