LNG低溫閥門的設計、制造、安裝
日期： 22-04-05 閱讀次數(shù)：
近幾十年，隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，工程項目中對低溫閥門的需求越來越多。低溫閥門在化肥、LNG及石油化工等領(lǐng)域使用較多。適用于介質(zhì)溫度-40℃～ -250℃的閥門稱之為低溫不銹鋼閥門。低溫閥門包括低溫球閥、低溫電磁閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫過濾器，低溫安全閥、低溫止回閥，低溫蝶閥，低溫針閥，低溫節(jié)流閥，低溫減壓閥，低溫電動調(diào)節(jié)閥，低溫氣動調(diào)節(jié)閥，低溫緊急切斷閥，低溫電動球閥，低溫氣動球閥等低溫閥門所控制的介質(zhì)除了液氮和其他液態(tài)惰性氣體外，大部分介質(zhì)不但易燃、易爆，而且在升溫或者閃蒸時會發(fā)生氣化，致使體積急劇膨脹，容易導致泄漏和爆燃?；诮橘|(zhì)特點及適應閥門在低溫下使用的要求，低溫閥門的設計、制造、試驗和安裝方法等均與普通閥門有不同之處。
一、LNG低溫閥門的標準和定義
不同標準對低溫閥門有不同定義。
（1）英國閥門標準 BS6364《低溫用閥門》適用于介質(zhì)溫度范圍為-50℃~-196℃ ；
（2）美國標準 MSSSP-134 《對低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》對低溫的解釋為“對于標準慣例來說，低溫范圍介于-100℃~ -195℃”；
（3）中國國家標準GB/T 24925《低溫閥門技術(shù)條件》標準適用于介質(zhì)溫度范圍為-29℃~-196℃；
（4）殼牌閥門標準SHELL MESC SPE 77/200《低溫及超低溫用閥門》適用于介質(zhì)溫度范圍為-30℃~-196℃。
（5）國外根據(jù)各種不同氣體在常壓下的液化溫度一般分為六種溫度級。
一級：為0~-46℃
二級：為-47~-60℃
三級：為-61~-70℃
四級：為-71~-101℃
五級：為-102~-196℃
六級：為-253℃以下
一般將 -46~-150℃稱為低溫 ，-150℃以下稱為超低溫。
石化行業(yè)對低溫閥門的定義是按照輸送介質(zhì)的設計溫度來定義的，一般將應用在介質(zhì)溫度 -40℃以下的閥門稱作低溫閥，應用在介質(zhì)溫度 -101 ℃以下的閥門稱作超低溫閥門。
二、LNG低溫閥門的設計特點
1,低溫閥門的材料選擇
低溫閥門的工作介質(zhì)不僅溫度低，而且大部分或，而且滲透性強，因此決定了對閥門用材的諸多特殊要求。在低溫狀態(tài)下鋼的機械性能與常溫時不同，低溫用鋼，除強度外，重要的指標就是其低溫沖擊韌性。材料的低溫沖擊韌性與材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度愈低，材料的低溫沖擊韌性愈好。碳鋼等體心立方晶格的金屬材料存在低溫冷脆現(xiàn)象，而奧氏體不銹鋼等面心立方晶格的金屬材料其沖擊韌性基本不受低溫影響。
低溫閥門閥體、閥蓋等耐壓零件的材料，通常采用低溫強度好的韌性材料，同時還要考慮焊接性、機加工性能、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性等因素。設計時，常用的是-46℃、-101℃和-196℃三個低溫級別。-46℃低溫級一般選用低溫碳鋼，-101℃和-196℃低溫級一般選用300系列奧氏體不銹鋼，這種不銹鋼有適中的強度、較好的韌性和較好的加工性能等。
2,石化低溫閥門的結(jié)構(gòu)設計
(1),閥蓋結(jié)構(gòu)設計:低溫閥門的一個顯注的特點就是其閥蓋一般為長頸結(jié)構(gòu)，在GB/T24925《低溫閥門技術(shù)條件》中也有明確規(guī)定 “低溫閘閥、低溫截止閥、低溫球閥、蝶閥的閥蓋應根據(jù)不同的使用溫度要求設計成便于保冷的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，以保證填料函底部的溫度保持在0℃以上”。加長閥蓋結(jié)構(gòu)的設計主要是為了使閥門操作手柄和填料函結(jié)構(gòu)遠離低溫區(qū)，既可以避免溫度太低造成操作人員凍傷，也可以保證填料函和壓套在正常的溫度下使用，防止填料的密封性能降低，延長填料的使用壽命。因為在低溫狀態(tài)下隨著溫度的降低，填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降，由于介質(zhì)滲漏造成填料與閥桿處結(jié)冰，影響閥桿正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長頸結(jié)構(gòu)還便于纏繞保冷材料，防止冷能損失。由于低溫管道一般有著較厚的保冷層厚度，長頸閥蓋便于保冷施工，并使填料壓蓋處于保冷層外，有利于需要時隨時緊固壓蓋螺栓或添加填料而無需損壞保冷層。
BS6364、MSS SP-134 和 SHELL MESC SPE77/200 標準均對閥蓋加長尺寸進行了規(guī)定。其中，BS6364規(guī)定了15～500帶冷箱的加長尺寸，并規(guī)定非冷箱小加長長度應為250mm；MSS SP-134 則包含了15～300的帶冷箱和非冷箱的加長尺寸要求，比較而言，非冷箱加長尺寸比BS6364 規(guī)定長，帶冷箱加長尺寸比BS6364 規(guī)定短。SHELL MESC SPE 77/200則沒有對帶冷箱和非冷箱進行區(qū)分，規(guī)定了15～1200在不同溫度范圍的長度 。
綜合考慮，SHELL MESC SPE 77/200 其加長長度選用范圍較寬使用比較方便可靠，如用于低溫關(guān)鍵場合可參考 SHELL MESC SPE 77/200 標準進行設計或按設計單位特殊長度要求進行設計。此外，在進行長度選用時還需考慮設計保冷層厚度是否大于該長度，如是則應加長以和保冷厚度匹配。
(2),滴水板結(jié)構(gòu)設計:由于閥門內(nèi)傳遞是低溫介質(zhì)，為了避免或減少介質(zhì)溫度向閥桿及其上端的填充材料傳遞，防止這些材料因凍結(jié)而失效，可在閥門中增加滴水板結(jié)構(gòu)。一些研究機構(gòu)對這種帶有滴水板結(jié)構(gòu)的閥門進行了實驗驗證，并證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端溫度較高。由于延長閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹燭影響在線維修。此外，滴水板需設置在保冷層外側(cè)，可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部，保護保冷層及防止冷量流失。
(3),泄壓部件的結(jié)構(gòu)設計:對于有密閉中腔結(jié)構(gòu)的低溫閥門，當應用在易燃、易爆且容易氣化的介質(zhì)時，對于閥門密封結(jié)構(gòu)有著特殊的要求。一些低溫介質(zhì)在汽化后其體積會升高，例如，液化天然氣汽化后的體積為液態(tài)時的六百多倍，當閥門為閉合狀態(tài)且周圍環(huán)境溫度相對較高時，閥體內(nèi)的低溫介質(zhì)吸收環(huán)境中熱量而逐漸汽化，其體積迅速上升，導致閥門內(nèi)部超壓，甚至威
三、低溫閥門的安裝要求
因為低溫閥門的特殊結(jié)構(gòu)，低溫閥門的安裝亦有其特殊要求。因為低溫閥門的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)特點，低溫閥門在安裝時閥桿閥桿方向必須在垂直向上的45度角范圍內(nèi)，且應盡量避免安裝在垂直管線上。否則低溫介質(zhì)將充滿閥蓋的加長部分，造成閥門填料失效，并會將冷量傳給閥門手柄，給操作人員帶來人身傷害。對于有泄壓結(jié)構(gòu)的低溫閥門，在安裝閥門時，要特別注意閥門泄壓方向的要求。閥門泄壓的方向應在工藝流程圖上標出，并體現(xiàn)在管道軸測圖中。
四、低溫閥門產(chǎn)生泄漏的原因
1、內(nèi)漏：閥門產(chǎn)生內(nèi)漏主要原因是密封副在低溫狀態(tài)下產(chǎn)生變形所致。當介質(zhì)溫度下降到使材料產(chǎn)生相變時造成體積變化，使原本研磨精度很高的密封面產(chǎn)生翹曲變形而造成低溫密封不良。
2、閥門的外漏：其一是閥門與管路采用法蘭連接方式時，由于連接墊料、連接螺栓、以及連接件在低溫下材料之間收縮不同步產(chǎn)生松弛而導至泄漏。因此可把閥體與管路的連接方式由法蘭連接改為焊接結(jié)構(gòu)，避免了低溫泄漏。其二是閥桿與填料處的泄漏。
五、低溫閥門制造
對所生產(chǎn)的低溫閥門制定了嚴格的制造工藝和采用專用設備，對零件的加工進行嚴格的質(zhì)量控制。經(jīng)特殊的低溫處理，將粗加工的零件置于冷卻介質(zhì)中數(shù)小時（2-6小時），以釋放應力，確保材料的低溫性能，保證精加工尺寸，以防閥門在低溫工況時，因溫度變化造成變形而導致的泄漏。閥門的裝配與普通閥門也不同，零件需經(jīng)過嚴格的清洗，除去任何油污，以保證使用性能。
六、低溫閥門試驗和檢驗：
對低溫閥的主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗，以保證閥門在低溫工況時不脆裂，經(jīng)得起低溫介質(zhì)沖擊。
1、對每臺閥門進行以下試驗：
（1）常溫殼體強度試驗；常溫低壓上密封試驗；常溫低壓密封試驗；
（2）低溫上密封氣密試驗（有上密封時）；低溫氣密封試驗等，以確保整臺低溫閥門符合標準的規(guī)定；
（3）對主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗，以保證閥門在低溫工況時不脆裂，經(jīng)得起低溫介質(zhì)沖擊；
（4）低溫（深冷 ）閥門均按相應材料規(guī)范進行低溫處理和沖擊試驗；
（5）閥體與閥桿或內(nèi)件與閥體間導通電阻小于1歐姆。
2、低溫閥門試驗設備：
低溫閥試驗裝置、液氮儲存裝置、低溫處理槽
3、低溫閥門試驗方法：
（1）試驗前的準備
清除閥門零件的油漬，將它們擦干凈并在干凈，沒有灰塵和油漬的環(huán)境下將閥門裝配好；將螺栓擰緊到預定的力矩值和拉力值，并記錄下該值；用合適的熱電偶與閥門連接，從而能在整個試驗過程中監(jiān)控閥門的溫度。
（2）試驗
將閥門安裝在試驗容器內(nèi)并連接好，要確保閥門填料處在容器頂部沒有汽化氣體的位置在室溫下用規(guī)定介質(zhì)氣體以大閥座試驗壓力進行初始的系統(tǒng)驗證試驗，以確保閥門是在合適的狀態(tài)下，然后開始進行試驗將閥門浸入液氮中進行冷卻，液體的水平面至少淹住閥體與閥蓋的連接部位，在整個冷卻過程中一直向閥門提供氦氣。在冷卻過程中，用安裝在適當位置上的熱電偶對閥門的溫度進行監(jiān)控。閥門在試驗溫度下達到穩(wěn)定。用熱電偶測定溫度以確信閥門的溫度達到均勻。在試驗溫度下用氦氣以大閥座試驗壓力進行初始的驗證試驗在閥門的進口側(cè)進行閥座壓力試驗，能夠雙向密封的閥門，對兩個閥座分別進行試驗。使閥門處在開啟位置，關(guān)閉閥門出口側(cè)的針形閥，將閥腔中的壓力升至閥座試驗壓力。將該壓力保持規(guī)定的要求，檢查閥門填料處及閥體與蓋連接處是否泄漏，應無泄漏。使閥門恢復室溫，再進行常溫密封試驗。試驗完成后，將閥門清潔、吹干，檢查合格后出廠。
