一文带你读懂LNG用低温阀门
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作者:佚名
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发布时间: 2020-09-18
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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。
本文从阀门的材料结构出发，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。
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。
本文从阀门的材料结构出发，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。
前言
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2018年LNG进口5393万吨，进口LNG占进口天然气的59.5%，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。
一、阀门材料
LNG阀门正常工作温度为约－163℃，在此温度下，金属材料将发生低温冷脆现象，即强度和硬度升高，塑性和韧性大幅下降，这会严重影响阀门的安全性。
为防止材料在低温下的低应力脆断，阀体和阀瓣等部件常采用奥氏体不锈钢。如304、304L、316、316L等，其中316L稳定性最好。
奥氏体不锈钢具有优良的强度、韧性、耐腐蚀性和焊接性，线膨胀系数低。但是奥氏体不锈钢中S和P等杂质会降低材料的强度及低温冲击韧性，应严格控制其含量。
阀体、阀盖、阀瓣、阀座和阀杆等部件必须进行低温深冷处理，使奥氏体转变成马氏体和变形充分后再进行精加工，以降低温度对超低温阀门密封性能的影响。
低温处理温度应低于材料相变温度且低于阀门实际工作温度。处理时间1～2h，然后取出自然冷却到常温，重复循环2次。
二、阀门的密封
LNG分子量小，粘度低，渗透性强，容易泄漏，且易燃易爆。这些特性对阀门密封性要求极高，同时还得采取防静电、防火和防爆等措施。
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阀杆密封
阀门泄漏分为内泄漏和外泄漏，基于LNG的易燃易爆性，外泄漏更危险。阀杆密封泄漏是主要的潜在外泄漏源。
超低温阀门的阀杆密封通常采用填料。常用的填料有聚四氟乙烯、浸渍聚四氟乙烯石棉绳和柔性石墨等。
为保证低温密封性能，填料密封通常采用软密封和硬密封相结合的双级密封，使用带有中间隔离环的双重填料(耐低温和高温的混合物)和附加弹性负荷装置。弹性负荷装置如蝶形弹簧垫片，使填料在低温时的预紧力能得到连续补偿，保证填料密封性能长期有效。
阀杆密封属于动密封，低温阀门阀杆密封也可选用金属波纹管密封结构。波纹管能在高温低温工况下工作，相对于机械密封，波纹管密封具有零泄漏、不接触、无摩擦、无磨损等优点，能有效减小阀杆处介质泄漏，提高低温阀门可靠性和安全性。
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中法兰密封
理想的低温密封垫片材料常温下较软，低温下回弹性好，线膨胀系数小且具有一定的机械强度。
超低温阀门的中法兰密封垫一般采用由不锈钢带和柔性石墨制成的缠绕垫片。低温时，垫片密封比压会有所减小，可能引起介质泄漏，因此中法兰紧固螺栓连接处应采用碟形弹簧垫片进行补偿。
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紧固件
紧固件材质要保证LNG工况下的低温冲击韧性，其材质选用奥氏体不锈钢。由于奥氏体不锈钢屈服强度低，所以要经过应变硬化，同时在螺纹部位涂二硫化钼。
阀门紧固件常选用全螺纹螺柱。为提高机械性能，可对奥氏体不锈钢紧固件进行原材料固溶热处理(Class1)、最终固溶热处理退火(Class1A)、最终固溶热处理退火同时拉伸硬化(Class2)。
1/2in．(φ12.5mm)及以下的304、321、347、316奥氏体不锈钢紧固件，在-200℃以上工况使用，如果已做固溶热处理或应变硬化，可不做低温冲击试验，除此之外，都要做低温冲击试验。
紧固件在交变载荷作用下易产生疲劳破坏，在实际操作中应使用扭矩扳手，以保证各螺栓受力均匀，避免因单个螺栓受力过大而失效引起泄漏。
三、低温阀门的结构特点
一般的钢材在低温下都会出现低温脆性，因而低温环境下的选材必须能够满足工况的要求。
一般情况下，常用的主体材料为：F316L/F304L/F316/F314。同时，由于阀门工作环境的苛刻，所以其有特殊的结构设计以满足低温工况的要求。
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阀杆加长设计
对阀杆的加长，其目的就是抬高填料函，以维持填料处于常温下工作，保证填料的密封性能。在低温状态下，防渗漏的性能逐渐下降，渗漏容易造成填料与阀杆配合处结冰，影响阀杆的正常操作。
而且，由于阀杆的运动容易将填料划伤，造成泄漏，因此，防渗漏的性能逐渐下降。加长高度为阀体顶部到填料函底部的距离。加长阀杆结构的外形便于缠绕保冷材料，以防止冷能损失。
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滴水板结构
加长阀杆的阀门提供一个滴水板，这个滴水板可以避免冷凝水汽流入隔热区域，同时其能更有效的保证填料函的工作环境，从而避免了不良影响。
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深冷处理
所有和阀门密封性能相关的重要零部件都需要深冷处理，其方法将零件放置在-196℃的低温下（如液氮），保持一定时间，然后取出放在环境温度下，让其恢复到常温。
这样做的目的是稳定零件尺寸和消除因组织变化产生的应力。由于大部分材料（或者非金属材料）在第一次冷却到0℃以下时将产生永久性的金相组织变化（不可恢复的），从而导致其体积膨胀或者缩小。
通过深冷处理后，当零件第二次冷却到0℃以下时，其产生的永久性金相组织变化的量很小，导致其体积膨胀或缩小的量也很小。
4中腔压力卸放结构
低温阀门一般用于低温液化气体介质，此类介质在温度升高的情况下会气化膨胀，如阀门内存在密闭的空间，空间中积液气化时会造成阀门内压力提高数倍而泄露，严重的会造成阀门开裂事故。
球阀在全闭和全开时，以及闸阀在全闭时都会形成密闭空间，为解决这个问题低温球阀和闸阀上一般都会设置释放孔以进行安全泄压。针对这种可能存在中腔异常升压风险的阀钟，一般采用打孔、自卸压阀座等可靠结构进行预防。
5防火、防静电设计
防火、防静电的要求是针对具有软密封的阀门来要求的。防火的设计要求，就是当发生火灾时，即使软密封被烧坏，阀门仍然可以依靠介质力和金属阀座（阀体）接触，实现密封保证阀门不泄露，使火势不往下游管道蔓延。
防静电的设计要求，球体和软密封开关摩擦以后，会产生静电，若管道内走的是易燃易爆介质是很危险的，所以阀门中会设置一个将球体静电导向外面的联通装置，防止静电。
四、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和检验外，还有阀门在低温状态下的试验。
低温试验本检验参照BS6364执行，低温介质选用液氮（温度-196摄氏度），压力介质采用氦气，主要检验阀门在低温工况下的内漏。
外泄漏检验外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。
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，
五、低温阀门的安装要求
低温阀门由于具有特殊的设计结构，所以在安装过程中必须要遵循相关规范的安装要求，来确保阀门的正常使用。
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泄压孔方向
低温介质在升温情况下会气化膨胀，如果阀腔内的升压介质不能被安全排出，将会导致超压危险。泄压孔就是为了防止阀中腔的压力异常升高而设置。
采用泄压孔防止异常升压，在阀体设计时，应该有指示流体流向的箭头；安装时，要注意泄压孔的位置，保证泄压孔通向介质进口的一侧，泄压孔开设在闸板上时，更要注意。
一般情况，泄压孔应该设置在高压侧端。如果装反了会影响阀门的密封性能，安全不受影响。阀体上的箭头是指介质的流向，与泄压孔无关。并且通常图纸中标注有“SELF RELIEFING”字样。阀体上有标识"CAVITY RELIEF SIDE"或者“VENT”字样，如图
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蝶阀的高压侧
在高压型蝶阀的安装时要对高压侧尤其关注，高低压侧一定不能够装反。在安装时一定要根据图纸注意高压侧的位置。通常会在图纸中标注有“HP”字样。
六、常用的超低温阀门
(1)闸阀标准低温闸阀是单向密封的，其弹性闸板上开有3mm的泄放孔，连通阀腔与上游管道。阀腔异常升压时，可通过泄放孔与上游管道达到压力平衡。
在阀内部，上游介质压力将弹性闸板紧压在下游阀座密封圈上，实现下游低压侧密封。双向密封闸阀是在阀腔外设置减压阀，而不必在闸板上开孔。外部泄压使闸阀实现上下游双向密封。超低温闸阀须在阀体上标识介质流向。
(2)球阀超低温球阀采用顶装式结构。软密封球阀价格便宜，泄漏率低，仅用于小口径低压工况。
相对而言，硬密封球阀价格高，泄漏率高，但可用于含有固体颗粒的流体，其耐冲刷、耐磨损性能好。
LNG软密封阀座选可经受－196℃的PCTFE(KEL－F)。软密封球阀限于小口径低压工况。而大口径高压球阀应选用金属对金属硬密封结构。用于低温工况的对焊阀门执行ANSIB16.34规定的特殊等级要求。超低温球阀须在阀体上标识介质流向。
(3)蝶阀超低温蝶阀要求双向密封。LNG蝶阀大多采用对焊端面。对焊蝶阀连接强度高(其承受的载荷至少是法兰连接阀门的2倍)，连接更为可靠(减少了潜在的法兰泄漏)，维修方便(特别是大口径蝶阀的阀座、蝶板和阀杆等可以在线更换)，且维修工作量小，时间短。
超低温蝶阀须在阀体上标识流向。基于低温介质对密封性能的影响，蝶阀的密封宜采用双偏心或三偏心结构，以减轻或消除蝶阀启闭过程中密封面的过度挤压或刮擦等现象，降低磨损，提高使用寿命。
(4)截止阀截止阀密封面结构有平面密封、锥面密封和球面密封。为使温度变化对截止阀密封性能影响最小，超低温截止阀密封面宜采用锥面密封或球面密封。超低温工况，应选用具有双向密封性能的截止阀。超低温截止阀须在阀体上标识流向。
(5)止回阀超低温止回阀可以使用旋启式，双瓣式或轴式的，不推荐用升降式。不宜使用凸耳式和对夹式止回阀。
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