介紹了不同液化天然氣系統中低溫球閥的設計選型方案，分析各種方案的異同，提出了低溫球閥設計選用方案的優化建議。

1、概述

　　天然氣在能源構成中所占的比例日益提高。液化天然氣(LNG) 的體積僅為其氣態時體積的1/600，質量僅約為同體積水的45%，其運輸成本低于天然氣的運輸成本。LNG 有助于實現能源供應多元化、保障能源安全，促進國民經濟發展。球閥由于其具有流阻低，流量系數Cv值高，關斷速度快等特點，在LNG 系統中大量使用。

2、結構特點

　　球閥只需用旋轉90°的操作和很小的轉動力矩就能關閉嚴密，因此球閥適宜做開關和截斷閥使用。一般情況下，作為截斷功能的閥門有閘閥、球閥和蝶閥等。不考慮特殊情況，球閥具有可靠性高，適用性強等特點(表1) 。

表1 不同類型閥門性能

3、選用

　　LNG 用低溫球閥有鍛鋼球閥(NPS 1 /2 ～ 11 /2)和鑄鋼球閥( ≥NPS 2) 。閥體采用一體頂裝式。分體式球閥在閥體中間有法蘭連接，法蘭在整個管線中既要承受介質內壓作用，又要承受來自管系的彎矩和管線收縮的拉力( 冷縮效應) ，不同于通常的管線膨脹產生的推力，冷態介質導致此處承受的不是推力而是拉力，所以分體式閥體的連接法蘭形成了一個薄弱點。

　　分體式球閥在價格上可能存在優勢，但是分體式球閥選用時需要同時考慮管道設計、工藝要求、應力分析等影響因素，不但增加設計難度，而且增加裝置的危險系數。如果經濟因素占主導，分體式球閥應放置在管線中非應力集中的位置，在相應安全措施及應力計算的配合下才可應用。EN1473 明確提出，低溫工況不推薦使用分體式閥體。承插焊和法蘭連接的鍛鋼球閥需要進一步進行經濟對比，價格上會有優勢。但某些規范上禁止在低溫管線采用承插焊接，選用時需要慎重。由于LNG 為易燃介質，閥門需要設置防火和防靜電結構。

　　3.1、鍛鋼球閥

　　根據鍛鋼球閥閥體端連接方式、密封要求和限定的壓力級等條件，將設計選用方案分為4 種(表2) 。方案一和方案二是焊接連接的閥體，其最低壓力等級選用150 磅級。方案三和方案四選用法蘭連接，其最低壓力等級選用300 磅級。這種提高磅級的目的主要是考慮管道系統在低溫狀態下產生冷縮和彎矩時，低磅級的法蘭無法滿足應力計算的要求造成的。對于最高閥門磅級的選擇，按照最高管線等級進行選取，對于900 磅級的管線，考慮到小口徑在900 磅級時沒有對應的法蘭尺寸，選擇了升高磅級的處理方式。

表2 NPS 1 /2 ～ 11 /2鍛鋼球閥設計條件

　　(1) 閥門設計。閥門設計選用的標準是閥門常用的設計標準，如API 6D、ISO 17292 和ASMEB16. 34 等。對于低溫測試要求參照BS 6364。

　　(2) 管線等級。管線等級是閥門磅級選用的依據，由管線系統的溫度、壓力和選材確定，一般情況下，閥門的磅級與管線等級一致。

　　(3) 閥體端連接。LNG 系統采用法蘭連接的閥門時，在很多法蘭處都需要配備LNG 收集盤，回收法蘭處泄漏的LNG 到回收系統，增加了系統投資成本。從更換維修方面分析，法蘭式閥門不易于維修。如果大量采用法蘭閥門，會導致泄漏點增多，安全隱患增加。采用對焊連接的閥門易于防止泄漏和維修。但全部對焊連接時，不利于施工階段的吹掃及試壓工作。

　　(4) 袖管。焊接閥門都配有100mm 的袖管，以防施工焊接時破壞軟密封閥座。

　　(5) 閥門壓力。承插焊閥門的最低壓力選用了800 磅級，其余磅級均隨管線等級。法蘭閥門有升磅級的考慮。

　　(6) 球體類型。球體可選用浮動球或固定球。方案一和方案二明確使用浮動球，方案三和方案四即接受浮動球又接受固定球。從價格上分析，浮動球低溫球閥比固定球低溫球閥有很大優勢。

　　(7) 密封。4 種方案在密封方向上都做了要求。但是如果低溫球閥考慮閥腔泄壓的設計，則密封方向是單向的。

　　(8) 材料。閥體/蓋材料選用奧氏體不銹鋼鍛件。球體材料選用力學性能不低于閥體/蓋的材料。閥座選用軟密封材料，軟密封閥座在低溫球閥的設計中為首選考慮。閥桿采用奧氏體不銹鋼材料或者是Monel 合金。

　　(9) 泄壓結構。幾種方案明確要求有泄壓結構，但是對泄壓方向要求不同，其中向高壓側泄壓可以保護閥門截斷后需要檢修的管線。對于泄壓結構建議在尺寸較小的閥門中采用球體打孔的方式，避免由于面積差太小導致泄壓閥座無法正常開啟。

　　3.2、鑄鋼球閥

　　鑄鋼球閥的四種方案(表3) 中，閥體端全部選用對焊連接，袖管均為100mm，減少了泄漏點，增加安全性。閥門磅級沒做升級處理，球體采用固定球。

表3 等于大于NPS2 鑄鋼球閥設計條件

4、結語

　　通過分析，應用于LNG 系統的低溫球閥其與管線連接端推薦使用焊接結構，以減少泄漏點。除試壓和分界等需要外，法蘭連接方式的閥門宜嚴格受控。閥體推薦使用一體頂裝式結構，減少由于管系冷縮效應導致的閥體連接法蘭泄漏。閥座采用軟密封，并且要求有中腔泄壓功能。閥門主要部件推薦選用奧氏體不銹鋼材料。設計選用過程中，可以根據工況條件和管系材料，選用閥門各結構件的材料。為保證閥門質量，應建立詳盡可靠的測試規范。