LNG低温阀门的设计、制造、安装

LNG低温阀门的设计、制造、安装
   近几十年，随着现代科学技术的发展，工程项目中对低温阀门的需求越来越多。低温阀门在化肥、LNG及石油化工等领域使用较多。适用于介质温度-40℃～ -250℃的阀门称之为低温阀门。低温阀门包括低温球阀、低温电磁阀、低温闸阀、低温截止阀、低温过滤器，低温安全阀、低温止回阀，低温蝶阀，低温针阀，低温节流阀，低温减压阀，低温电动调节阀，低温气动调节阀，低温紧急切断阀，低温电动球阀，低温气动球阀等低温阀门所控制的介质除了液氮和其他液态惰性气体外，大部分介质不但可燃、易爆，而且在升温或者闪蒸时会发生气化，致使体积急剧膨胀，容易导致泄漏和爆燃。基于介质特点及适应阀门在低温下使用的要求，低温阀门的设计、制造、试验和安装方法等均与普通阀门有不同之处。
一、LNG低温阀门的标准和定义
不同标准对低温阀门有不同定义。
（1）英国阀门标准 BS6364《低温用阀门》适用于介质温度范围为-50℃~-196℃ ；
（2）美国标准 MSSSP-134 《对低温阀门及其阀体/阀盖加长体的要求》对低温的解释为“对于标准惯例来说，低温范围介于-100℃~ -195℃”；
（3）中国国家标准GB/T 24925《低温阀门技术条件》标准适用于介质温度范围为-29℃~-196℃；
（4）壳牌阀门标准SHELL MESC SPE 77/200《低温及超低温用阀门》适用于介质温度范围为-30℃~-196℃。
（5）国外根据各种不同气体在常压下的液化温度一般分为六种温度级。
一级：为0~-46℃  
二级：为-47~-60℃  
三级：为-61~-70℃
四级：为-71~-101℃ 
五级：为-102~-196℃ 
六级：为-253℃以下
一般将 -46~-150℃称为低温 ，-150℃以下称为超低温。
   石化行业对低温阀门的定义是按照输送介质的设计温度来定义的，一般将应用在介质温度 -40℃以下的阀门称作低温阀，应用在介质温度 -101 ℃以下的阀门称作超低温阀门。

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二、LNG低温阀门的设计特点
1,低温阀门的材料选择
   低温阀门的工作介质不仅温度低，而且大部分或，而且渗透性强，因此决定了对阀门用材的诸多特殊要求。在低温状态下钢的机械性能与常温时不同，低温用钢，除强度外，重要的指标就是其低温冲击韧性。材料的低温冲击韧性与材料的脆性转变温度有关，材料的脆性转变温度愈低，材料的低温冲击韧性愈好。碳钢等体心立方晶格的金属材料存在低温冷脆现象，而奥氏体不锈钢等面心立方晶格的金属材料其冲击韧性基本不受低温影响。 
   低温阀门阀体、阀盖等耐压零件的材料，通常采用低温强度好的韧性材料，同时还要考虑焊接性、机加工性能、稳定性和经济性等因素。设计时，常用的是-46℃、-101℃和-196℃三个低温级别。-46℃低温级一般选用低温碳钢，-101℃和-196℃低温级一般选用300系列奥氏体不锈钢，这种不锈钢有适中的强度、较好的韧性和较好的加工性能等。
2,石化低温阀门的结构设计
(1),阀盖结构设计:低温阀门的一个显注的特点就是其阀盖一般为长颈结构，在GB/T24925《低温阀门技术条件》中也有明确规定 “低温闸阀、截止阀、球阀、蝶阀的阀盖应根据不同的使用温度要求设计成便于保冷的长颈阀盖结构，以保证填料函底部的温度保持在0℃以上”。加长阀盖结构的设计主要是为了使阀门操作手柄和填料函结构远离低温区，既可以避免温度太低造成操作人员冻伤，也可以保证填料函和压套在正常的温度下使用，防止填料的密封性能降低，延长填料的使用寿命。因为在低温状态下随着温度的降低，填料弹性逐渐消失，防漏性能随之下降，由于介质渗漏造成填料与阀杆处结冰，影响阀杆正常操作，同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤，引起严重泄漏。所以低温阀门采用长颈阀盖结构形式。此外，长颈结构还便于缠绕保冷材料，防止冷能损失。由于低温管道一般有着较厚的保冷层厚度，长颈阀盖便于保冷施工，并使填料压盖处于保冷层外，有利于需要时随时紧固压盖螺栓或添加填料而无需损坏保冷层。
   BS6364、MSS SP-134 和 SHELL MESC SPE77/200 标准均对阀盖加长尺寸进行了规定。其中，BS6364规定了15～500带冷箱的加长尺寸，并规定非冷箱小加长长度应为250mm；MSS SP-134 则包含了15～300的带冷箱和非冷箱的加长尺寸要求，比较而言，非冷箱加长尺寸比BS6364 规定长，带冷箱加长尺寸比BS6364 规定短。SHELL MESC SPE 77/200则没有对带冷箱和非冷箱进行区分，规定了15～1200在不同温度范围的长度 。 
   综合考虑，SHELL MESC SPE 77/200 其加长长度选用范围较宽使用比较方便可靠，如用于低温关键场合可参考 SHELL MESC SPE 77/200 标准进行设计或按设计单位特殊长度要求进行设计。此外，在进行长度选用时还需考虑设计保冷层厚度是否大于该长度，如是则应加长以和保冷厚度匹配。 
(2),滴水板结构设计:由于阀门内传递是低温介质，为了避免或减少介质温度向阀杆及其上端的填充材料传递，防止这些材料因冻结而失效，可在阀门中增加滴水板结构。一些研究机构对这种带有滴水板结构的阀门进行了实验验证，并证明了带有滴水板的阀门阀盖上端温度较高。由于延长阀盖上部的温度较低，通常情况下阀门暴露在空气中，空气中的水蒸气遇到低温阀盖会液化成水珠，滴水板的直径超过中法兰直径，可以防止低温液化的水蒸气滴落在中法兰螺栓上，避免螺栓锈烛影响在线维修。此外，滴水板需设置在保冷层外侧，可以防止冷凝的水滴落到保冷层及阀体上部，保护保冷层及防止冷量流失。 
(3),泄压部件的结构设计:对于有密闭中腔结构的低温阀门，当应用在可燃、易爆且容易气化的介质时，对于阀门密封结构有着特殊的要求。一些低温介质在汽化后其体积会升高，例如，液化天然气汽化后的体积为液态时的六百多倍，当阀门为闭合状态且周围环境温度相对较高时，阀体内的低温介质吸收环境中热量而逐渐汽化，其体积迅速上升，导致阀门内部超压，甚至威胁到阀门的安全，导致介质泄露甚至造成火灾事故，为保证阀门和工厂的安全性，此类阀门要求带中腔自泄压结构，使阀门内腔压力异常超压时，实现自动泄放。如低温闸阀、球阀，由于阀门密封原理不同，在泄压设计上，会有明显的区别。不过不同的厂家在泄压结构的设计上，多有自己不同的特点。 
(4),防静电及防火结构设计:由于低温阀门一般应用在开燃的介质上，防静电设计及防火设计显得尤为重要。防静电设计主要是以一种类似避雷针的引导电流方式，将阀杆与阀体导通，从而将静电导出以消除安全隐患，保证整个系统的供应安全。如GB/T24925 明确规定“用于易燃蒸气或液体的具有软阀座或软的关闭插入部件的阀门，在设计时应保证阀体和阀杆具有导电连贯性，放电路径大电阻不应超过10Ω。”。防火结构的设计主要是针对因温度剧烈变化而导致的介质泄露问题而进行的，防火结构的设计与普通阀门的设计要求类似。 
(5),阀体:阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩。而且阀座部位的结构不会因温度变化而产生变形。  
(6),阀瓣:闸阀采用挠性闸板或开式闸板；截止阀的平阀座及针形阀，采用塞子形的阀瓣。这些结构形式不论温度如何变化，均能保持可靠的密封。 
(7),阀杆:阀杆需镀铬、镀镍磷或经氮化处理，以提高阀杆表面硬度，防止阀杆与填料、填料压套（压盖）相互咬死，损坏密封填料，造成填料函泄漏。    
(8),垫片:垫片选用要考虑垫片材料的低温性能，如压缩回弹性、预紧力、紧固压力分布以及应力松弛特性等。 
(9),填料函及填料:填料函不能与低温段直接接触，而设在长颈阀盖顶端，使填料函处于离低温较远的位置，在0℃以上的温度环境下工作。这样，提高了填料函的密封效果。在泄漏时，或当低温流体直接接触填料造成密封效果下降时，可以从填料函中间加入润滑脂形成油封层，降低填料函的压差，作为辅助密封措施。填料函多采用带有中间金属隔离环的二段填料结构。但也有的采用一般阀门填料函结构和阀杆能自紧的二重填料函结构等其他型式。
(10),上密封:低温阀都设上密封座结构，上密封面要堆焊钴铬钨硬质合金，精加工后研磨。  
(11),阀座、阀瓣（闸板）密封面:低温阀的关闭件采用钴铬钨硬质合金堆焊结构。软密封结构由于聚四氟乙烯膨胀系数大，低温变脆，所以仅适用于温度高于-70℃的低温阀，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低温阀。  
(12),中法兰螺栓:螺栓应有足够的强度，这是因为螺栓在反复载荷下工作，常会因疲劳而产生断裂。因螺栓在螺纹根部易引起应力集中，所以采用全螺纹结构的螺栓。   

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三、低温阀门的安装要求
   因为低温阀门的特殊结构，低温阀门的安装亦有其特殊要求。因为低温阀门的长颈阀盖结构特点，低温阀门在安装时阀杆阀杆方向在垂直向上的45度角范围内，且应尽量避免安装在垂直管线上。否则低温介质将充满阀盖的加长部分，造成阀门填料失效，并会将冷量传给阀门手柄，给操作人员带来人身伤害。对于有泄压结构的低温阀门，在安装阀门时，要特别注意阀门泄压方向的要求。阀门泄压的方向应在工艺流程图上标出，并体现在管道轴测图中。
四、低温阀门产生泄漏的原因
1、内漏：阀门产生内漏主要原因是密封副在低温状态下产生变形所致。当介质温度下降到使材料产生相变时造成体积变化，使原本研磨精度很高的密封面产生翘曲变形而造成低温密封不良。
2、阀门的外漏：其一是阀门与管路采用法兰连接方式时，由于连接垫料、连接螺栓、以及连接件在低温下材料之间收缩不同步产生松弛而导至泄漏。因此可把阀体与管路的连接方式由法兰连接改为焊接结构，避免了低温泄漏。其二是阀杆与填料处的泄漏。 
五、低温阀门制造
   上海永龙阀门厂对所生产的低温阀门制定了严格的制造工艺和采用专用设备，对零件的加工进行严格的质量控制。经特殊的低温处理，将粗加工的零件置于冷却介质中数小时（2-6小时），以释放应力，确保材料的低温性能，保证精加工尺寸，以防阀门在低温工况时，因温度变化造成变形而导致的泄漏。阀门的装配与普通阀门也不同，零件需经过严格的清洗，除去任何油污，以保证使用性能。 
六、低温阀门试验和检验：
   对低温阀的主要零部件作低温处理并每批抽样作低温冲击试验，以保证阀门在低温工况时不脆裂，经得起低温介质冲击。
1、对每台阀门进行以下试验：
（1）常温壳体强度试验；常温低压上密封试验；常温低压密封试验；
（2）低温上密封气密试验（有上密封时）；低温气密封试验等，以确保整台低温阀门符合标准的规定；
（3）对主要零部件作低温处理并每批抽样作低温冲击试验，以保证阀门在低温工况时不脆裂，经得起低温介质冲击；
（4）低温（深冷）阀门均按相应材料规范进行低温处理和冲击试验；
（5）阀体与阀杆或内件与阀体间导通电阻小于1欧姆。 
2、低温阀门试验设备：
   低温阀试验装置、液氮储存装置、低温处理槽
3、低温阀门试验方法：
（1）试验前的准备
   清除阀门零件的油渍，将它们擦干净并在干净，没有灰尘和油渍的环境下将阀门装配好；将螺栓拧紧到预定的力矩值和拉力值，并记录下该值；用合适的热电偶与阀门连接，从而能在整个试验过程中监控阀门的温度。
（2）试验
   将阀门安装在试验容器内并连接好，要确保阀门填料处在容器顶部没有汽化气体的位置在室温下用规定介质气体以大阀座试验压力进行初始的系统验证试验，以确保阀门是在合适的状态下，然后开始进行试验将阀门浸入液氮中进行冷却，液体的水平面至少淹住阀体与阀盖的连接部位，在整个冷却过程中一直向阀门提供氦气。在冷却过程中，用安装在适当位置上的热电偶对阀门的温度进行监控。阀门在试验温度下达到稳定。用热电偶测定温度以确信阀门的温度达到均匀。在试验温度下用氦气以大阀座试验压力进行初始的验证试验在阀门的进口侧进行阀座压力试验，能够双向密封的阀门，对两个阀座分别进行试验。使阀门处在开启位置，关闭阀门出口侧的针形阀，将阀腔中的压力升至阀座试验压力。将该压力保持规定的要求，检查阀门填料处及阀体与盖连接处是否泄漏，应无泄漏。使阀门恢复室温，再进行常温密封试验。试验完成后，将阀门清洁、吹干，检查合格后出厂。