LNG工程用超低温阀门的设计研究
陶国庆，宋忠荣，余宏兵，刘建峰，张绍华，胡军，靳淑军，章茂森
( 合肥通用机械研究院，安徽合肥230031)

摘要: 从结构设计、材料选择、阀门低温性能试验及检验等方面对LNG 低温阀门展开研究，主要内容包括长颈阀盖结构设计、体腔防异常升压结构设计、防静电结构设计、低温环境下密封结构及防火结构设计、承压部件及内件材料选择、阀门低温环境下检验与试验分析等，为LNG 低温阀门的产品设计、制造提供有意义的参考。

关键词: 液化天然气; 低温阀门; 结构设计; 低温性能试验

1 引言

天然气( LNG) 产业链包括4 个主要环节: 上游的LNG液化、LNG储运、LNG加气、LNG应用，每一个环节均需要大量的低温阀门。在LNG工程项目中所应用的超低温阀门，分为工艺阀和控制阀类，主要有球阀、蝶阀、截止阀、止回阀、调价阀、安全阀等。LNG因其温度低(－163℃)、气液膨胀比大(600:1)、易燃易爆等特点，对LNG项目用低温阀门也提出了更高、更严格的要求，要求LNG超低温阀门使用寿命长，安全可靠，一经安装在管道上就不能拆卸，要求小故障能在线维修等等。目前，国内LNG工程用超低温阀门大部分依赖进口。本文主要针对LNG工程对超低温阀门的使用要求，从超低温阀门的结构设计、材料选择、超低温试验检验标准等方面进行分析研究，为LNG低温阀门的产品设计、制造提供有意义的参考。

2 超低温阀门结构设计

2.1 长颈阀盖结构设计

在低温状态下，随着时间的增加，阀杆填料的弹性会逐渐变小，由于介质的渗漏造成填料与阀杆处结冰，将会影响阀杆的正常操作，同时也会因阀杆运动而将填料划伤，引起更严重的泄漏。所以在正常情况下，要求低温阀门填料尽量在0℃以上温度下工作［1］，这就要求设计时通过长颈阀盖结构，使填料函远离低温介质。LNG低温阀门采用加长阀盖结构，其目的就是保证处于阀盖顶部填料区的温度始终处于适合正常操作的区间，防止因填料函部分过冷出现填料以及阀盖上部的零件结霜或冷冻现象。如果阀杆填料区的温度太低，由于金属材料与非金属材料的低温收缩性的不一致，势必导致阀门的操作扭矩会增大，扭矩增大会加剧填料的磨损，降低阀门的寿命，同时，加长阀杆的设计保证深冷状态不会传导至操作执行机构，使阀门在任何时间都能够在最大压差和最深冷度的情况下进行操作。阀盖颈部的长度尺寸、壁厚以及与阀杆之间的间隙大小，是影响填料函温度的主要因素。加长阀盖的高度(见图1)可以根据BS 6364或MSS SP-134标准要求进行确定［2，3］，或者根据试验或有限元分析的方法验证确定。

图1 加长阀盖示意

2.2 滴水板结构设计

根据LNG工况使用要求，低温阀门加长阀盖上常设有滴水板。滴水板结构可以有效减缓阀体温度向填料及阀体上端的传递，减少冷凝水汽流入隔温区域，更加有效地保证填料部位和阀杆上部的零件温度处于0℃以上。滴水板的直径宜超过阀门中法兰直径，阻断阀体上部因低温液化的冷凝水进入保温层，或滴落在中法兰螺栓上产生结冰现象，影响阀门在线维修。通过对阀门进行温度场对比分析(见图2、图3)，滴水板还具有增加散冷面积的作用，这样可以适当降低长颈阀盖的高度而达到相同的操作性能。

图2 无滴水板温度场分布

图3 有滴水板温度分布