液化天然气用低温阀门关键技术研究综述

尹婷婷，张中标，王宇翔，罗世洪，李晓钟

（中国核动力研究设计院，成都 610213）

0 引言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）产业链包括液化、储运、加气、应用等4个部分，每个部分均需用到大量低温阀门。目前LNG关键设备用的阀门包括球阀、蝶阀、截止阀、止回阀、调节阀、安全阀等，基本依赖于进口[1-4]。据调研发现，阀门泄漏是LNG相关多起安全事故的主要原因，特别严重的是阀门泄漏直接导致LNG装置停机甚至爆炸燃烧，由此可见低温阀门的可靠性能对LNG产业的安全发展具有关键作用[5]。

LNG用低温阀门应用工况苛刻、安全性要求高，与常规阀门相比，除了遵循一般阀门的设计原则，还需要更可靠的密封技术与特殊结构设计[6]。LNG用低温阀门的密封性主要取决于密封材料的选择、阀门部件的低温处理技术及密封结构的设计[7-9]。LNG用低温阀门的特殊结构设计包括了长颈阀盖设计、滴水板设计、自卸压设计及防静电设计等方面[5,10]。

本文基于LNG用低温阀门的主要研究内容，展开了工况特点与技术难点分析，总结了低温阀门在密封技术、结构设计方面的关键点，并介绍了LNG用低温阀门的发展趋势，为研发具有高可靠性能的低温阀门提供参考。

1 LNG阀门特性分析

1.1 工况特点

LNG是天然气经净化、脱水和精制后，在-162 ℃、0.1 MPa环境下冷却制成的一种无色液体，由大量甲烷、少许乙烷、少许丙烷及其它杂质成分组成，在大气环境中与空气混合的体积占5%～15%时即可燃烧。

除此之外，LNG的蒸发气密度远远高于周围空气的密度，气液膨胀比高达600：1，即极少量的LNG液体可瞬间转变成很大体积的气体[11]。因此LNG阀门的运行工况具有超低温、气液膨胀比大及易燃、易爆的特点。

1.2 技术难点

1）动作可靠性。在超低温高压的工况下，LNG阀门在满足灵敏的开启、稳定的排放、及时的回座和可靠的密封等基础要求的同时，要保证其阀瓣、导向杆等运动部件不发生松弛和晃动现象，对配合间隙、选材、深冷处理和机械加工精度等工艺的要求极高。这是一个多因素、多水平的综合问题，难以找到满足所有要求的最优解。

2）密封可靠性。因LNG具有易燃、易爆性，LNG用阀门对密封性能的要求比一般阀门更高[12]。在超低温、高压工况下，LNG用阀门部件的韧性下降、冷脆性升高，导致力学性能改变，同时部件材料易发生相变，导致部件尺寸变化，最后致使阀门的密封性能减弱。因此，对于LNG用低温阀门来说，建立可靠密封、防止内泄漏与外泄漏是目前急需解决的技术难点。

2 密封技术

2.1 密封副材料

在设计密封结构时，合理的密封材料对保证密封性能具有关键作用[13]。目前国内外使用最多的密封副材料主要包括以下两种[14]。

1）金属材料对非金属材料的非金属密封副。此类密封副不需要太高的密封比压。但在低温环境下，非金属材料与金属材料的膨胀比差异较大，密封性能较弱。为解决此问题，可通过改变结构与工艺，将非金属材料部分的结构转化为具有相同功能的金属结构或金属与非金属的混合结构，提高其密封性。如阀座密封采用唇形密封圈，将金属弹簧外包裹一层非金属材料，进而为内部金属弹簧提供预紧力，外部非金属材料保证密封的双重效果，即使在低温工况下也能保证工作稳定可靠[15-16]。

2）金属材料对金属材料的金属密封副。此类密封副在低温环境中硬度增加，韧性下降。针对此问题，目前低温阀门材料一般使用在-100 ℃以下仍具有较好韧性的奥氏体不锈钢材料。但奥氏体不锈钢材料在常温向低温变化的工况中性能不稳定，易发生相变，导致密封材料变形，密封性能下降[17-18]。因此，为了有效防止低温对密封造成不利影响，应选择在常温与低温均具有较高稳定性的材料。如使用进行低温处理后的奥氏体不锈钢材料，此时奥氏体不锈钢材料内部的马氏体得到充分转变，具有高稳定性[19]。

2.2 低温处理工艺

奥氏体不锈钢材料虽然在低温下处于稳定状态，但是在常温下稳定性较低，当工作温度从常温降到低温时，材料发生相变，导致零件尺寸变化。为保证低温阀门具有良好的密封性能，奥氏体不锈钢作为目前低温阀门的关键密封副材料需要做2次深冷处理，以确保马氏体的充分转变。第一次深冷处理后试样的变形量比较大，第二次深冷处理后尺寸最大变形量有明显的降低，进一步保证奥氏体不锈钢材料的稳定性。此外，LNG用超低温阀门的阀体、阀盖、阀瓣、阀座、阀杆等关键零件均须进行深冷处理，防止材料因发生组织转变而产生尺寸变化，提高精加工稳定性与精度[20]。

2.3 填料函密封

由以上的分析可以看出，非金属密封副与金属密封副均存在局限性，难以在低温的工况下保持良好的密封性能。针对此问题，在低温阀门的阀杆与阀体间常通过设计填料函结构与波纹管结构来增强密封[21]。由于单层波纹管结构寿命短，多层波纹管结构成本高，所以波纹管密封结构在低温阀门中应用较少。然而填料函密封结构简单、成本低、可靠性高，在维护方面具有明显优势，在低温阀门中广泛应用。

填料函的填充物温度一般高于-40 ℃，若环境温度过低则会导致填充物与填料函之间的温差增大，使填料物的弹性降低，难以保证填充物与阀杆间密封性[22]。如低温阀门在工作过程中产生介质泄漏，导致填料和阀杆之间接触面结冰，使阀门失去原有的密封性。

为保证填料的环境温度高于0 ℃，低温阀门常设计长颈阀盖结构以使填料函远离低温介质。同时，选择一些耐低温的填料，如聚四氟乙烯、石棉、柔性石墨等材料。但因石棉无法避免渗透性泄漏，聚四氟乙烯易发生冷流，难以应用于低温阀门。柔性石墨填料具有耐低温、渗透系数低、热膨胀率低等优点，且能有效减少填料与阀杆之间的摩擦，被广泛使用于低温阀门[9]。

3 结构设计

3.1 长颈阀盖

为避免填料出现冷脆和严重冷流，采用加长阀盖结构使填料部位远离低温介质，保证低温阀阀杆与阀体之间的密封性[10，23]。

填料函温度的关键影响因素主要有颈部长度、阀盖壁厚及与阀杆之间空隙等。此类尺寸参数可通过相关标准规范查询，也可根据试验、有限元分析的方法进行计算[24-26]。如基于有限元方法，建立包含材料的导热系数、导热面积及表面散热系数等因素的物理模型，进而计算阀盖的颈长[27-28]。

3.2 滴水板结构

滴水板相当于一块圆形的隔温板，一般焊接在填料函下部的长颈上，具有减缓阀体温度向填料函及阀体上端传递的作用[29]。通过对有无滴水板的阀门进行温度场模拟，发现有滴水板的阀门阀盖上端的温度明显升高。为实现低温阀门的紧凑型设计，在保证填料部位和阀杆上部零件的温度仍在0 ℃以上的基础上，可适当降低长颈阀盖的高度，缩小阀门总体积[30]。

3.3 自卸压结构

当LNG用低温阀门关闭后，残留在阀腔中的少量LNG液体通过吸收环境中的热量而发生气化，产生高压作用于阀腔，引起阀体、阀盖变形，密封性能下降。因此，可按内部泄放法和外部泄放法，在LNG用低温阀门的结构设计中设计卸压孔。内部泄放法是指将阀盖和阀体空腔内的压力泄放到阀门进口端，进而获得更高的比压来增强密封[31]。外部泄放法是指在中腔阀体外部管路上安装减压阀来实现卸压。

3.4 防静电结构

针对LNG介质的易燃、易爆性，为了防止出现事故，在LNG阀门设计时必须排除静电聚集的情况。当密封件材料存在非金属时，须通过在阀杆与阀体、阀杆与关闭件之间设置金属导通装置引出静电。常规静电导通装置通过开孔组装弹簧和钢珠实现金属接触。当密封件材料全为金属时，为保证接电连续性，需在阀门装配完成后测量关键零部件间的电阻值是否满足设计规范相关标准[5]。

4 发展趋势探讨

随着LNG新能源的不断发展，LNG用低温阀门装备的市场需求量越来越大[32-33]。在国内LNG项目中，国产阀门及关键部件的市场占有量较少，基本依赖进口。然而，国外LNG阀门更新换代快，难以及时买到，因此对LNG用超低温阀门发展趋势进行探讨，可为LNG用超低温阀门的国产化研制提供有力参考[34]。

要突破LNG用低温阀门的设计、制造关键技术，必须基于LNG超低温的特殊工况，在密封技术与结构设计方面对LNG用超低温阀门进行深入研究。在密封技术方面，LNG系列阀门的低温密封材料、低温处理技术及密封结构优化的研究是目前需要更进一步解决的关键问题。在研发-162 ℃下仍具有高稳定性的耐低温材料基础上，需进一步研究LNG用低温阀门部件适用的低温处理技术，减小部件在低温下的变形，保证阀门的可靠密封。为了进一步加强密封，关闭件之间的密封结构需要考虑温度的影响，增加填料函结构、唇形密封圈等特殊结构。在结构设计方面，为了应对低温工况，LNG阀门的长颈阀盖结构及滴水板结构需要向高隔温性能方向优化。针对LNG介质的大膨胀系数与易燃、易爆特点，中腔卸压结构与防静电结构必不可少。

5 结语

本文基于LNG用超低温阀门的工况特点与技术难点，总结了低温阀门在密封技术、结构设计方面的关键点，并介绍了LNG用低温阀门的发展趋势，具体如下：1）要突破LNG超低温阀门的设计、制造关键技术，关键点在于提高LNG用低温阀门的密封可靠性与结构稳定性；2）在密封性能方面，首先需要加强研发在低温与常温下均具有高稳定性的阀门承压材料，其次是突破可加强阀门密封性能的材料低温处理技术与填料函等关键技术；3）在结构设计方面，LNG阀门的长颈阀盖结构及滴水板结构需要向高隔温性能方向优化，尤其对中腔卸压结构与防静电结构优化必不可少。