李金城 
在傳統(tǒng)的低溫流體控制領(lǐng)域，成套工藝流程中常用的過程控制閥門數(shù)量眾多，其中截止閥、閘閥、球閥為主要通斷閥門之一，具有流動阻力小，可輸送氣液兩相流，閥門不易堵塞，控制流量大等特點，而閘閥、球閥具有雙向密封，雙向通斷，控制方便等特點，為成套工藝設(shè)備中不可缺少的主要設(shè)備，且一般都采用法蘭或螺紋連接于管道中。由于傳統(tǒng)的閥門存在控制密封面大，密封面多，存在盲區(qū)，易于泄漏等特點，不能應(yīng)用于低溫易燃易爆流體等領(lǐng)域，尤其-162℃ LNG領(lǐng)域。
首先，以閘閥、球閥為例，傳統(tǒng)的閘閥、球閥打開或關(guān)閉時都會形成雙向密封，閥腔內(nèi)都存在盲區(qū)。一般情況下LNG為低溫飽和液體或氣液兩相流，盲區(qū)內(nèi)的LNG在閥門打開或關(guān)閉后，由于存在環(huán)境熱源，盲區(qū)內(nèi)LNG迅速氣化，溫度迅速上升，壓力迅速增大，導(dǎo)致上部多重密封及下部主密封面極易損壞，且閥門存在爆破等更嚴(yán)重的隱患。為解決這一問題，傳統(tǒng)的低溫閘閥、低溫球閥用于LNG時，通過在閥體外增加管道，連接盲區(qū)至球閥出口段，導(dǎo)出低溫流體，但這種方法導(dǎo)致盲區(qū)與閥門一端連通，損壞了閘閥、球閥主密封面雙向密封、雙向截止、雙向控制的優(yōu)勢，閘閥、球閥只能使用一個主密封面，不能起到雙向密封的作用。另外，由于管道兩端的LNG均極易氣化，LNG流體易于反向流動等原因，要求LNG閘閥、LNG球閥起到雙向截止，雙向密封的作用，故外加導(dǎo)管連通一側(cè)不能有效解決雙向截止的問題。同時，外加導(dǎo)管由于強度等原因易于損壞泄漏，且存在閥體外側(cè)不易于加裝保溫層，閥體外觀不對稱等缺點。
其次，由于LNG氣化后為易燃易爆氣體，主要成分為CH 4，傳統(tǒng)的低溫閥門由于存在較多的密封，容易引起CH 4泄漏，如雙向主密封、閥體與閥蓋之間的多重密封、管道法蘭連接密封等，尤其在-162℃低溫工況下，密封墊片及密封面往往直接與LNG接觸，密封材料極易出現(xiàn)低溫脆斷，密封面經(jīng)常出現(xiàn)泄漏，存在很大的安全隱患。此外，由于LNG閥門上下溫差較大，以截止閥、閘閥為例，閥體與LNG接觸，閥桿旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器、上閥體及上部閥桿部件與外部大氣環(huán)境接觸，閥門兩端存在200℃左右的溫差，導(dǎo)致部件內(nèi)部存在很大的溫差應(yīng)力，尤其在閥桿與上閥體之間。由于LNG閥體一般采用鑄鋼制造，傳熱速率較快，需要較長的上閥體及閥桿延遲傳熱，以防止旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器等部件溫度太低，不能正常工作，或防止人員凍傷等，所以一般要求閥桿延長至頂部不結(jié)霜為至。此外，由于閥體采用鑄鋼件，閥桿采用鋼性鍛件，兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，低溫工況下存在較大溫差應(yīng)力，相互接觸后，低溫應(yīng)變?nèi)菀讓?dǎo)致閥體開裂，閥桿變形，主密封面破壞，LNG無法截止等問題。所以，傳統(tǒng)的低溫閥門用于LNG領(lǐng)域時，要求閥桿較長以減少局部溫差應(yīng)變，使整個閥門體積較大，以適應(yīng)于冷收縮及解決較大溫差應(yīng)力等問題。最后，LNG為低溫流體，管道輸送壓力一般低于0.2MPa，處于飽和狀態(tài)或過熱狀態(tài)，輸送時外界會源源不斷通過閥門及管道給LNG提供熱量，導(dǎo)致LNG持續(xù)氣化，出現(xiàn)兩相流。兩相流遇到突然截止時，容易導(dǎo)致管道內(nèi)剩余LNG壓力劇增并過臨界。當(dāng)壓力迅速超過臨界壓力4.6MPa，溫度超過臨界溫度-82.59℃后，會給整個輸送系統(tǒng)安全造成極大的安全隱患，所以，一般的LNG閥門或LNG系統(tǒng)的設(shè)計壓力大于6MPa，使整個LNG系統(tǒng)設(shè)計難度增大，設(shè)備笨重，體積龐大。
LNG系列閥門涉及低溫流體過程控制及多相流控制過程，也是目前設(shè)計計算較復(fù)雜、加工制造難度較大的低溫過程控制裝備，沒有統(tǒng)一的設(shè)計計算方法，計算過程中需要復(fù)核計算低溫材料強度，選擇氣液兩相流參數(shù)等，隨著工藝流程或物性參數(shù)特點不同而存在較大差別，難以標(biāo)準(zhǔn)化。此外，由于LNG系列閥門種類較多，沒有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)設(shè)計模型及理論設(shè)計計算方法用于計算機輔助計算過程，給LNG系列閥門的科學(xué)計算過程帶來了障礙。20世紀(jì)80年代以來，國外主要有美國泰科公司等開發(fā)，可進行低溫工況下的LNG過程控制等，具有控制效果好，集約化程度高，需要閥門數(shù)量少等特點。國內(nèi)在LNG液化工廠、LNG接收站及LNG氣化站等方面已有應(yīng)用，一般隨整體工藝成套進口。蘭州交通大學(xué)與甘肅中遠能源動力工程有限公司曾對-162℃ LNG系列閥門、-70℃低溫甲醇用系列閥門、-197℃液氮系列閥門、-210℃空間飛行器用系列閥門等進行了系列化開發(fā)，主要針對以-162℃ LNG系列板翅式換熱器、-162℃ LNG系列纏繞管式換熱器等為主液化設(shè)備的LNG系統(tǒng)配套用低溫閥門進行開發(fā)，根據(jù)不同溫度及控制領(lǐng)域，研究不同種類的低溫閥門設(shè)計計算方法。本書針對-162℃ LNG系列閥門結(jié)構(gòu)特點，研究開發(fā)了LNG截止閥、LNG閘閥、LNG蝶閥、LNG止回閥、LNG球閥、LNG安全閥等多種類型的LNG控制閥門，已具備產(chǎn)業(yè)化設(shè)計及加工制造能力。
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