1 概述

天然氣在能源構(gòu)成中所占的比例日益提高。液化天然氣（LNG）的體積僅為其氣態(tài)時(shí)體積的1/600，質(zhì)量?jī)H約為同體積水的45%，其運(yùn)輸成本低于天然氣的運(yùn)輸成本。LNG有助于實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)多元化、保障能源安全，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。球閥由于其具有流阻低，流量系數(shù)Cv值高，關(guān)斷速度快等特點(diǎn)，在LNG系統(tǒng)中大量使用。

2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

球閥只需用旋轉(zhuǎn)90°的操作和很小的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩就能關(guān)閉嚴(yán)密，因此球閥適宜做開關(guān)和截?cái)嚅y使用。一般情況下，作為截?cái)喙δ艿拈y門有閘閥、球閥和蝶閥等。不考慮特殊情況，球閥具有可靠性高，適用性強(qiáng)等特點(diǎn)（表1）。

表1 不同類型閥門性能

3 選用

LNG用低溫球閥有鍛鋼球閥（NPS1/2～11/）和鑄鋼球閥（≥NPS2）。閥體采用一體頂裝式。分體式球閥在閥體中間有法蘭連接，法蘭在整個(gè)管線中既要承受介質(zhì)內(nèi)壓作用，又要承受來自管系的彎矩和管線收縮的拉力（冷縮效應(yīng)），不同于通常的管線膨脹產(chǎn)生的推力，冷態(tài)介質(zhì)導(dǎo)致此處承受的不是推力而是拉力，所以分體式閥體的連接法蘭形成了一個(gè)薄弱點(diǎn)。分體式球閥在價(jià)格上可能存在優(yōu)勢(shì)，但是分體式球閥選用時(shí)需要同時(shí)考慮管道設(shè)計(jì)、工藝要求、應(yīng)力分析等影響因素，不但增加設(shè)計(jì)難度，而且增加裝置的危險(xiǎn)系數(shù)。如果經(jīng)濟(jì)因素占主導(dǎo)，分體式球閥應(yīng)放置在管線中非應(yīng)力集中的位置，在相應(yīng)安全措施及應(yīng)力計(jì)算的配合下才可應(yīng)用。EN1473明確提出，低溫工況不推薦使用分體式閥體。承插焊和法蘭連接的鍛鋼球閥需要進(jìn)一步進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比，價(jià)格上會(huì)有優(yōu)勢(shì)。但某些規(guī)范上禁止在低溫管線采用承插焊接，選用時(shí)需要慎重。由于LNG為易燃介質(zhì)，閥門需要設(shè)置防火和防靜電結(jié)構(gòu)。

3.1 鍛鋼球閥

根據(jù)鍛鋼球閥閥體端連接方式、密封要求和限定的壓力級(jí)等條件，將設(shè)計(jì)選用方案分為4種（表2）。方案一和方案二是焊接連接的閥體，其zui低壓力等級(jí)選用150磅級(jí)。方案三和方案四選用法蘭連接，其zui低壓力等級(jí)選用300磅級(jí)。這種提高磅級(jí)的目的主要是考慮管道系統(tǒng)在低溫狀態(tài)下產(chǎn)生冷縮和彎矩時(shí)，低磅級(jí)的法蘭無法滿足應(yīng)力計(jì)算的要求造成的。對(duì)于zui高閥門磅級(jí)的選擇，按照zui高管線等級(jí)進(jìn)行選取，對(duì)于900磅級(jí)的管線，考慮到小口徑在900磅級(jí)時(shí)沒有對(duì)應(yīng)的法蘭尺寸，選擇了升高磅級(jí)的處理方式。

表2 NPS1/2～1¹/₂鍛鋼球閥設(shè)計(jì)條件

（1）閥門設(shè)計(jì)。閥門設(shè)計(jì)選用的標(biāo)準(zhǔn)是閥門常用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，如API6D、ISO17292和ASMEB16.34等。對(duì)于低溫測(cè)試要求參照BS6364。

（2）管線等級(jí)。管線等級(jí)是閥門磅級(jí)選用的依據(jù)，由管線系統(tǒng)的溫度、壓力和選材確定，一般情況下，閥門的磅級(jí)與管線等級(jí)一致。

（3）閥體端連接。LNG系統(tǒng)采用法蘭連接的閥門時(shí)，在很多法蘭處都需要配備LNG收集盤，回收法蘭處泄漏的LNG到回收系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)投資成本。從更換維修方面分析，法蘭式閥門不易于維修。如果大量采用法蘭閥門，會(huì)導(dǎo)致泄漏點(diǎn)增多，安全隱患增加。采用對(duì)焊連接的閥門易于防止泄漏和維修。但全部對(duì)焊連接時(shí)，不利于施工階段的吹掃及試壓工作。

（4）袖管。焊接閥門都配有100mm的袖管，以防施工焊接時(shí)破壞軟密封閥座。

（5）閥門壓力。承插焊閥門的zui低壓力選用了800磅級(jí)，其余磅級(jí)均隨管線等級(jí)。法蘭閥門有升磅級(jí)的考慮。

（6）球體類型。球體可選用浮動(dòng)球或固定球。方案一和方案二明確使用浮動(dòng)球，方案三和方案四即接受浮動(dòng)球又接受固定球。從價(jià)格上分析，浮動(dòng)球低溫球閥比固定球低溫球閥有很大優(yōu)勢(shì)。

（7）密封。4種方案在密封方向上都做了要求。但是如果低溫球閥考慮閥腔泄壓的設(shè)計(jì)，則密封方向是單向的。

（8）材料。閥體/蓋材料選用奧氏體不銹鋼鍛件。球體材料選用力學(xué)性能不低于閥體/蓋的材料。閥座選用軟密封材料，軟密封閥座在低溫球閥的設(shè)計(jì)中為考慮。閥桿采用奧氏體不銹鋼材料或者是Monel合金。

（9）泄壓結(jié)構(gòu)。幾種方案明確要求有泄壓結(jié)構(gòu)，但是對(duì)泄壓方向要求不同，其中向高壓側(cè)泄壓可以保護(hù)閥門截?cái)嗪笮枰獧z修的管線。對(duì)于泄壓結(jié)構(gòu)建議在尺寸較小的閥門中采用球體打孔的方式，避免由于面積差太小導(dǎo)致泄壓閥座無法正常開啟。

3.2 鑄鋼球閥

鑄鋼球閥的四種方案（表3）中，閥體端全部選用對(duì)焊連接，袖管均為100mm，減少了泄漏點(diǎn)，增加安全性。閥門磅級(jí)沒做升級(jí)處理，球體采用固定球。

表3 等于大于NPS2鑄鋼球閥設(shè)計(jì)條件

4 結(jié)語(yǔ)

通過分析，應(yīng)用于LNG系統(tǒng)的低溫球閥其與管線連接端推薦使用焊接結(jié)構(gòu)，以減少泄漏點(diǎn)。除試壓和分界等需要外，法蘭連接方式的閥門宜嚴(yán)格受控。閥體推薦使用一體頂裝式結(jié)構(gòu)，減少由于管系冷縮效應(yīng)導(dǎo)致的閥體連接法蘭泄漏。閥座采用軟密封，并且要求有中腔泄壓功能。閥門主要部件推薦選用奧氏體不銹鋼材料。設(shè)計(jì)選用過程中，可以根據(jù)工況條件和管系材料，選用閥門各結(jié)構(gòu)件的材料。為保證閥門質(zhì)量，應(yīng)建立詳盡可靠的測(cè)試規(guī)范。