V ol. 56 No. 4Aug. 2019
·管道与管件·
液化天然气用阀门的国产化研发要点
贾琦月
（中国寰球工程公司北京分公司，北京 100022）
摘 要：为了液化天然气用阀门的国产化研发，通过阀门结构细则设计分析，阐述了国产化研发过程中需要注意的设计、检测和可靠性等方面的要点，说明国产化研发中阀门结构设计细节的重要性，以期对深冷阀门国产化研发提供借鉴。
关键词：国产化；液化天然气；阀门；检测；内冷；可靠性
中图分类号：TQ 055.8；TH 122 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2019）04-0059-004
收稿日期：2019-01-16
基金项目： 中石油板块核准项目：高压大口径上装式超低温球阀
的国产化研究（60084）。
作者简介： 贾琦月（1977—），男，高级工程师，硕士。主要从
事管道材料方面的设计和液化天然气国产化研发。
近年来，越来越多的阀门厂家加入到液化天然气用阀门的国产化研发中来，此类阀门在液化天然气项目中有着大量的应用，在国产化过程中也出现了一些问题，有些要点需要在国产化过程中引起注意。LNG 是以甲烷为主要组分的烃类混合物，其中含有少量的乙烷、丙烷、氮等其他组分。LNG 属于低温易燃物质。LNG 的沸点取决于其组分，在大气压下通常在-166 ~ -157 ℃。沸点随蒸气压力的变化梯度约为 1.25×10-4 ℃/Pa ，主要参数要求见表1[1]。从表1中可见：单位体积的LNG 气化会产生600倍左右的膨胀，所以在阀门的设计中需要充分考虑温度的影响和封闭空间的安全性。
1 LNG 低温阀门设计研究
低温阀门在LNG 接收站中有着广泛的应用，主要用来控制管道介质的截断或连通，其密封性能直接关系到LNG 管道系统的运行安全。研发此类阀门，从结构方面须注意以下几点：
（1）一体顶装式结构设计
所谓一体顶装式结构是指，阀体具有整体式结构，而不是分片式结构，此结构既满足了减少管道系统泄漏点的要求，又满足了阀门在线维修的要求。如图1所示。
（2）加长阀盖设计
加长阀盖是为了提供足够的气化空间，使得阀门的填料能够正常工作。在加长阀盖设计中，有两点值得注意：一是加长阀盖的高度，二是加长阀盖的壁
厚。对于加长阀盖的高度除了参考相关标准中的最小伸长量（如表2阀盖颈部最小伸长量H ）之外，还需要附加热力学模拟分析和低温测试点验证，以确保气化空间足够。
表1 LNG 样本
Table 1 Examples of LNG
常压下泡点时的性质
LNG 例1LNG 例2LNG 例3摩尔分数/%
N 20.5 1.790.36CH 497.593.987.20C 2H 6 1.8 3.268.61C 3H 80.20.69 2.74iC 4H 10-0.120.42nC 4H 10-0.150.65C 5H 12
-0.090.02相对分子质量/(kg ·kmol -1)
16.4117.0718.52泡点温度/℃-162.6-165.3-161.3密度/(kg ·m -3 )431.48.8468.70 ℃和101 328 Pa 条件下单
位体积液体生成的气体体积/(m 3·m -3)
590
590
568
0 ℃和101 328 Pa 条件下单位质量液体生成的气体体积/(m 3·kg -1)
1.367 1.314 1 211
第 56 卷第 4 期
· 60 ·化 工 设 备 与 管 道热力学模拟分析过程在加长阀盖设计中具有很重要的作用。在此模拟过程中，除了考虑阀门内部介质温度、环境温度和介质压力之外，还须考虑两个工况的影响：一、保冷层的影响；二、阀门安装角度的影响。
① 对于保冷层的影响，可以参考具体项目的隔热工程规定中的保冷厚度；对于没有数据参考的项目，可以按照下式进行计算[5]。
3.79510ln
D D D P S P t T T a 2T
E a s
10
1
30tm m #=--- （1）
式中 P E ——能量价格，元/kJ ；
P T ——绝热结构单位造价，元/m 3；
λ—— 绝热材料在平均温度下的导热系数，
W/ (m 2
·K)；
a s —— 绝热层外表面向周围环境的换热系数，
W/ (m 2·K)；
t ——年运行时间，h ；
T 0——管道或设备的外表面温度，K ； T a ——环境温度（运行期间平均气温），K ； S —— 绝热工程投资年摊销率（宜在设计使用
年限内按复利率计算）
，%。
在模拟过程中发现，保冷层对填料具有较大影响。如图2所示，对应同样的填料下沿分析点，在无保冷状态是8.8 ℃，在有保冷状态下是-2.7 ℃。因此，对于超低温阀门的加长阀盖设计来说，需要谨慎考虑
阀门保冷的工况。
图1 一体顶装式结构
Fig.1 One-piece top entry construction 表2 阀盖颈部最小伸长量H *Table 2 Minimum gland extension length
阀门公称尺寸DN 范围
阀门公称尺寸NPS 范围
阀盖颈部最小伸长量H /mm
≤ 25≤ 120032 ~ 65 1 ¼ ~ 2 ½25080 ~ 1253 ~ 5300150 ~ 2006 ~ 8350250 ~ 30010 ~ 12400350 ~ 40014 ~ 150450 ~ 65018 ~ 26
500700 ~ 85028 ~ 34600
900 ~ 1 20036 ~ 48
700
*此表在GB 51257[2]、 GB 24925[3]、 JB/T 12621[4]中都有相关
规定。
图2 温度场模拟示意图
Fig.2 Temperature field simulation
② 阀门安装角度的影响，是指阀门安装在竖直方向的角度，会造成加长阀杆的有效加长量变化。按照现行标准中的安装要求[2]，阀门安装一般控制在与竖直成45°角内。
低温测试点验证是指在做低温测试时，在填料函下沿设置温度测点，以便与模拟数据相对照。此温度测点的设置与低温阀门测试标准一致。
须要指出的是，目前很多厂家在阀门的加长阀盖设计中，仅就阀门在竖直无保冷状态下进行模拟计算是不完善的，还需要综合考虑可能出现的几种工况下阀门的温度场分析，比较不同的模拟结果，得出合理方案，然后通过实测值验证。这样才能确保加长阀盖设计无误。如果阀门加长阀盖设计不当，在现场会导致结冰问题。
贾琦月，等. 液化天然气用阀门的国产化研发要点
（3）滴盘设计
滴盘是在加长阀盖上的一种结构设计，滴盘对于散冷防水具有一定的辅助作用，滴盘的设计可以参考GB/T 51257《液化天然气低温管道设计规范》[2]、GB 24925《低温阀门技术条件》[3]和JB/T 12621 《液化天然气用阀门技术条件》[4]，滴盘的设计具体高度可以参照表3，但须同样考虑实际保冷高度的影响。
表3隔离滴盘的最小间距尺寸
Table 3 Minimum drip plate clearance required for insulation
公称尺寸DN15 ~ 2540 ~ 5080 ~ 100150 ~ 200250 ~ 300350 ~ 400450 ~ 600700 ~ 800900 ~ 1 200隔离滴盘最小间距h/mm100110125150175180220220250
（4）阀杆密封设计
阀杆的密封型式有多种多样，须要结合ISO
15848中的测试，达到满足逸散性要求。此部分设计
往往与上文中加长阀盖的设计息息相关。如果加长
阀盖设计过短，会导致阀杆密封材料不能正常工作，
阀门会在阀杆处产生超标的外泄漏。对于ISO 15848
的测试取证，需要注意以下参数的确定：测试温度、
密封等级和压力等级[6]。型式试验参照ISO 15848-1
执行，产品检测参照ISO 15848-2执行；对于液化天然气用阀门，要求在进行低温测试过程中，检查产品的外泄漏性能。
（5）泄压结构设计
对于阀门关闭后会形成封闭空间的阀门，需要考虑阀门的泄压结构。比如固定球结构的球阀两侧阀座均能起到密封作用，会导致球阀在关闭状态下封闭一部分的液化天然气，所以须具有泄压结构，以便在低温介质气化膨胀时，把超压气体排出，确保阀门受压在安全的压力范围内。泄压结构须辅以测试来明确结构的有效性。超压控制在1.33倍对应压力磅级的压力范围以内。泄压结构一般有开孔和泄压阀座两种，开孔结构比如闸板和球上开孔，阀座上开孔；泄压阀座通常采用单活塞效应的阀座实现泄压功能，对于此种球阀通常设计成DIB-2的结构[7]。需要指出的是，泄压结构一般须进行测试验证，以确保泄压方向按照指定侧完成，以及泄压时的阀门内腔压力控制。
（6）阀座密封设计
阀座密封，需要考虑材料在超低温下的性能，目前低温球阀的密封结构较为特殊，设计多以唇式密封（Lip Seal）为主，如图3所示。
唇式密封圈是一个带有聚四氟乙烯（或其他聚合材料）夹套的压力辅助密封装置，其内部设置一个耐腐蚀的金属蓄能弹簧。密封圈装在密封沟槽空腔
内，弹簧因受压驱动唇边紧贴密封面形成密封。弹簧给密封夹套提供弹力弥补了空间缩放产生的位移；而且系统压力也会辅助打开唇边，促使密封愈加紧密（如图4 唇式密封工作原理）
。
图3唇式密封圈
Fig.3 Lip-seal ring construction
图4唇式密封工作原理
Fig.4 Working principle of lip-seal
此种结构的密封效果良好，但需要结合自身阀门特点进行二次设计，包括唇部的设计、内簧的设计和支撑环的设计；否则在低温高压工况（CL1500）下，无法达到满意的密封性能。
（7）阀门构件的深冷尺寸稳定性处理
对于液化天然气用阀门，阀门部件是否进行深冷处理，不同的标准有不同的要求，在国内标准中，如GB 24925对深冷处理有明确的要求；在国外标准
第 56 卷第 4 期
· 62 ·化 工 设 备 与 管 道中，如BS63对阀门构件的深冷处理未做明确要求。阀门构件的深冷处理，目的是完成马氏体转变，稳定构件的尺寸。此种处理的意义和效果与阀门构件的元素成分、晶相结构和自身尺寸都有关系，不同厂家对于深冷处理的控制也不同；对比国外进口品牌的生产过程也有很大差别。
2 低温阀门的可靠性研究
阀门的可靠性研究在阀门国产化的过程中需要特别注意，做好可靠性研究工作，可以避免“顾此失彼”的现象发生。对阀门的可靠性研究可以采用故障分析的方法，列明各种失效原因，进而找到解决办法。例如表4的 故障分析表。
3 结束语
综上所述，液化天然气用阀门的国产化需要结合液化天然气的特点和具体的工况，在设计中应注意顶装、加长阀盖、滴盘等方面的特殊要求，文中指出了容易忽略的问题，希望对此类阀门的国产化工作有所帮助。
Highlights in Research and Development of Valves Used in Liquefied Natural
Gas Facilities
Jia Qiyue
（Beijing Branch, China Huanqiu Engineering Co., Beijing 100022, China ）
Abstracts: Recently the research and development of self-produced valves used for liquefied natural gas have been carried out in more and more valve manufacturers. In this article, some key points in the process of self-production development were stated, including aspects of design, test and reliability, which may be referenced in research and development later.Keywords: self-production; liquefied natural gas; valve; test; internal cooling; reliability
表4 故障分析表
Table 4 Fault analysis table
故障零部件零部件失效模式
阀门密封副密封副受力变形，密封副低温下的收缩不均匀阀杆阀杆强度、刚度（挠度）分析法兰连接处法兰连接处外部泄漏填料处填料函外部泄漏
执行机构故障
执行机构无法正确执行对阀门的控制
参考文献
[1]
BS EN 1160：1997， Installations and Equipment for Liquefied Natural Gas General Characteristics of Liquefied Natural Gas[S].[2] GB/T 51257， 液化天然气低温管道设计规范[S].[3]
GB 24925， 低温阀门 技术条件[S].
[4] JB/T 12621， 液化天然气用阀门 技术条件[S].
[5] SY/T 7419， 低温管道绝热工程设计、施工和验收规范[S].[6]
BS EN ISO 15848-1， Industrial Valves-Measurement ， Test and Qualification Procedures for Fugitive Emissions[S].[7]
API 6D ， Specification for Pipeline and Piping Valves[S].
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