天然气特殊工况下的阀门选型问题

马 静，程乐明，马江山

(新地环保技术有限公司，河北 廊坊 065001)

天然气在优化能源结构、改善大气环境、控制温室气体排放等方面发挥着重要作用。在能源日趋紧张的情况下，全球天然气的生产和贸易日趋活跃，逐渐成为世界油气工业新的热点[1]。在国内，天然气市场供不应求，市场需求快速增长。随着资源的落实、技术的进步以及应于市场需求，我国天然气产业进入迅速发展阶段。在国际石油价格不断波动的时代背景下，在我国大力发展天然气产业，有助于实现能源多元化，保障能源供应充足，同时天然气行业的快速发展，是天然气消费需求快速增长的有力保障，为实现经济和社会的可持续发展发挥了重要作用。

天然气工艺流程复杂，设备昂贵，正确选择自动化仪表，应用成熟可靠的控制方案，才能确保天然气装置的稳定运行和人身设备安全。天然气的分子量小，黏度低，渗透性强，易于泄露和扩散，在其净化、液化、贮存等装置中，特殊工况下的阀门对其系统的安全可靠运行具有极其重要的作用。天然气装置中配备的特殊阀门从参考标准、材料选择、结构形式、试验检验等方面有很多特殊的要求。本文针对于天然气深冷工况和频繁开关工况，分别对深冷阀门和轨道球阀进行了深入的阐述。

开采出的天然气经脱碳、脱水、液化等工序形成LNG，天然气在约-162 ℃低温下由气体变化为LNG，且1 m3的LNG体积是同等标准状态下气态天然气的625倍，因此LNG的贮存和运输更加方便，同时会节约大量成本。其工艺流程如图1所示。当介质温度低于-70 ℃时为深冷工况。在天然气净化液化过程中，流程③、④、⑤(图1所示)大多为深冷工况，主要深冷介质包括：LNG、重烃、乙烯等。LNG系统设备中深冷阀门作为配套设施，对LNG项目正常、安全可靠的运行具有极其重要的作用。

图1 天然气净化液化装置工艺流程示意图

此外，在图1流程②天然气脱水中，分子筛用于天然气的脱水，达到净化气体，降低气体中水含量以满足后续装置运行的工艺流程。用于切换分子筛的开关阀要求频繁开关(8小时)且强制密封，否则天然气中水分脱不干，接下来进入冷箱会结冰、冻堵，进而撑爆冷箱，造成重大的经济损失。

1 深冷阀门

由于LNG具有易燃性和易爆性，且工作在约-162 ℃的深冷工况下，LNG低温阀门的选型设计应符合更高的技术要求，除了满足一般的阀门设计原则外，还需遵循在深冷、易燃易爆及含有固体颗粒介质下密封可靠、开关灵活等要求。

1.1 结构形式

低温阀门与普通阀门的不同之处主要体现在采用长颈型的上阀盖[2]，如图2所示。加长阀盖的设计，使流体介质和填料之间形成一个过渡的空腔，阀杆处于一个梯度温度场内，以保护填料处在正常工作温度内，防止因填料函部分过冷而使阀杆和阀盖上部的零件冻结，保证阀门在深冷工况下仍具备可操作性。

图2 深冷阀门结构图

另外，LNG的深冷阀门大都采用顶装式结构，以减少螺栓连接点，进而减少泄露点，顶装式阀门的阀体是一体化结构，可直接在线对阀门进行维修和更换阀内件。并且，阀门与管线以焊接方式连接，不存在潜在的外漏渠道。

1.2 阀门材料

LNG深冷阀门的工作温度约-162 ℃，在此温度下，常规阀门用的金属材料会发生低温冷脆现象，即硬度升高，韧性大幅下降，严重影响阀门的安全性。综合材料的经济性和可靠性，奥氏体不锈钢材料低温变形小，在-200 ℃的温度下，仍能保持较好的韧性，无冷脆，是目前低温阀门应用最为广泛的材料。

奥氏体不锈钢在较低温度下发生马氏体变化，宏观上表现为阀门零件的尺寸变化，零件局部表面鼓起，使阀门的密封性和可操作性受到严重的影响。为了消除这种体积上的变化，需要阀体、阀盖、阀座和阀杆等部件进行低温深冷处理，一般按照英国标准BS 6364进行制造与测试，使得奥氏体转变为马氏体即变形充分后再进行精加工，以降低温度对深冷阀门密封性能的影响[3]。

1.3 填料密封

基于LNG易燃、易爆的特性，防止LNG泄露非常关键[4]。阀杆密封泄露是主要的潜在外泄漏源，深冷阀门的阀杆通常采用填料密封。目前，常用的填料有：PTFE(聚四氟乙烯)、石棉及柔性石墨等。在低温条件下，石棉无法避免渗透性泄露，PTFE的冷流现象严重，而柔性石墨在低温高压情况下压缩率和回弹性有所下降。聚三氟乙烯(PCTFE)在液化天然气中不发生脆裂，不蠕变，不渗透任何气体，不助燃，是一种良好的密封聚合物，是低温工况下，目前采用较多的密封材料[5]。

1.4 清洁处理

深冷阀门内件的清洁是影响阀门性能的关键步骤。通常情况下，阀门的压力试验以水为介质，在阀腔内存在水、油脂或其他杂质的情况下，低温工况下会凝结为固体，阀门的启闭会导致刮伤密封面或阀杆，引起阀门泄露。因此阀门必须脱油脱脂，且水压试验后清洁阀门。

另外，为了减少泄露，深冷阀门与管道之间的连接方式均为焊接。焊接后，管道内会残留大量的焊渣。这些杂质会对阀门密封面造成严重的破坏，因此必须采用吹扫的方法将管道内的所有杂质清理干净。

综上所述，在深冷工况下，阀门通常采用长颈型阀盖，材料可选用奥氏体不锈钢，且对阀体、阀杆、阀座、阀盖等部位进行深冷处理后进行精加工。阀杆采用填料密封，填料可采用聚三氟乙烯。深冷阀门大都采用顶装式结构，与管线焊接，操作前要进行彻底的清洁处理。

2 轨道球阀

天然气净化装置的分子筛系统，用于天然气的脱水，达到降低天然气中水含量的目的，从而满足后续装置运行的工艺流程。用于切换分子筛的球阀，操作上频繁开关，且对其密封性要求高，否则天然气中水分脱不干，接下来进入冷箱会导致结冰、冻堵，进而撑爆冷箱，造成重大的经济损失。

2.1 阀门结构

图3 轨道球阀结构图

轨道球阀可以很好的解决这一问题。频繁开关的工况下，普通球阀的球体在启闭过程中始终与阀座接触，密封面磨损严重，易泄露，使用寿命低，而轨道球阀克服了上述球阀的缺点。轨道球阀适用于开关频繁、长期保持良好密封、不允许经常性停车维修和更换阀门的苛刻工况。

轨道球阀结构由阀体、阀球、阀座、阀盖、阀杆、阀杆导销和阀球销钉等部件组成。阀杆上部设有S型导槽，阀杆下端为前后平行的楔形面，如图3所示。

轨道球阀采用单阀座结构，阀杆下部楔形面提供了机械的预紧力，以保证持续的强制密封。阀杆的密封采用可调注入式盘根，以便在系统不停车的状态下调整盘根压力，防止外漏。阀球耳轴的底部形状、阀球密封面及阀座密封面在同一圆周表面上，以保证阀球在压向阀座时，各个部位的压力均匀一致，且阀球密封面同时接触或离开阀座。

2.2 工作原理

为了实现无摩擦的操作过程，轨道球阀开启时，阀杆首先提升，阀座、阀球脱离，而后阀杆驱动阀球旋转到开启位置；关闭阀门时，阀杆带动阀球在不接触阀座的情况下旋转，而后阀杆下降，压迫阀球压紧在阀座上。其具体的操作过程如下：

阀门开启：逆时针旋转阀门手轮，阀杆上升，阀杆导销与阀杆S型导槽的直行程段配合，限制阀杆仅作直线上升运动，阀杆下端楔形面与阀球销钉配合，使阀球与阀座脱离，保证一定的间隙。阀杆继续上升，阀杆导销与阀杆S型导槽曲线行程段配合，使阀杆旋转90°，此时阀杆下端楔形面与阀球销钉配合，带动阀球做90°旋转，流道打开，在旋转的过程中，由于阀球、阀座不接触，故其密封面不存在摩擦。

阀门关闭：顺时针旋转阀门手轮，阀杆楔形面与阀球销钉配合，带动阀芯90°旋转，此时阀球的密封面与阀座正相对，阀杆继续下降，阀杆导销与阀杆S型导槽的直行程段配合，限制阀杆做直线下降运动，阀杆下端的楔形面与销钉配合，带动阀球压紧阀座，流道关闭，阀杆继续下降，对密封面施加强制密封力[6]，从而保证阀门满足相应的泄露等级要求。

2.3 阀门特点

轨道球阀开关的过程中，旋转动作发生在阀球密封面与阀座脱离一定的间隙之后，因此开关过程中密封面无摩擦，有效的解决了密封面磨损问题，大大提高了开关次数，延长了阀门的使用寿命。由于轨道球阀的阀球转动是通过阀杆和阀球上的销钉配合，该部分处于阀腔中，是摩擦较大的部位。若介质脏污，会使其中的杂质沉积，关闭阀门时，杂质易夹在密封面之间，造成密封面损坏。因此轨道球阀不宜在介质含固颗粒下选用。天然气分子筛的介质中含有粉尘，硬度低、粒径小，不同于固体颗粒，轨道球阀适用该工况。

3 结 论

由于天然气具有易燃、易爆及易泄露等特点，国内外对天然气特殊工况下配套阀门的安全性、可靠性及密封性等提出更高的要求，故其在材料选用、设计结构及安装方式等方面应满足更高的技术标准。本文对天然气净化液化项目中常用的深冷阀门和轨道球阀的结构、性能作了深入说明，给出了相关的设计标准，探讨了天然气深冷阀门和轨道球阀在材料选择、结构设计等方面与普通阀门的区别。