前言

LNG系列閥門主要應(yīng)用于-162℃天然氣低溫液化、LNG輸運(yùn)、LNG存儲(chǔ)及LNG再氣化等領(lǐng)域，包括LNG截止閥、LNG閘閥、LNG蝶閥、LNG止回閥、LNG球閥、LNG安全閥、LNG節(jié)流閥等系列閥門，均屬帶相變多相流低溫高壓過程控制裝備，因液化工藝、貯運(yùn)工藝不同，外形設(shè)計(jì)不同，用途也不同。

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(dòng)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(diǎn)，而閘閥、球閥具有雙向密封，雙向通斷，控制方便等特點(diǎn)，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(diǎn)，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(shí)都會(huì)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(shí)，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(shì)，閘閥、球閥只能使用一個(gè)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(dòng)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(shí)，外加導(dǎo)管由于強(qiáng)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(duì)稱等缺點(diǎn)。

其次，由于LNG氣化后為易燃易爆氣體，主要成分為CH4，傳統(tǒng)的低溫閥門由于存在較多的密封，容易引起CH4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(shí)，要求閥桿較長以減少局部溫差應(yīng)變，使整個(gè)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(shí)外界會(huì)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(shí)，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(huì)給整個(gè)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(jì)壓力大于6MPa，使整個(gè)LNG系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)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(jì)計(jì)算方法，計(jì)算過程中需要復(fù)核計(jì)算低溫材料強(qiáng)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(diǎn)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(jì)模型及理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法用于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算過程，給LNG系列閥門的科學(xué)計(jì)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(jìn)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(diǎn)。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(jìn)口。蘭州交通大學(xué)與甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司曾對(duì)-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(jìn)行了系列化開發(fā)，主要針對(duì)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(jìn)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(jì)計(jì)算方法。本書針對(duì)-162℃ LNG系列閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jì)及加工制造能力。

《液化天然氣裝備設(shè)計(jì)技術(shù)—LNG低溫閥門卷》共收集張周衛(wèi)、汪雅紅等主持研發(fā)的低溫過程控制通用閥門12項(xiàng)，主要包括LNG蝶閥、LNG球閥、LNG閘閥、LNG截止閥、LNG減壓閥、LNG節(jié)流閥、LNG安全閥、LNG止回閥、LNG針閥、LNG呼吸閥、LNG溫控閥、LNG疏氣閥12個(gè)類別，主要應(yīng)用于-162℃ LNG領(lǐng)域，涉及12類低溫過程控制閥門裝備研發(fā)技術(shù)，內(nèi)含低溫制冷基礎(chǔ)研究與產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算過程。研發(fā)產(chǎn)品可應(yīng)用于液化天然氣、石油化工、煤化工、空氣液化與分離、制冷及低溫工程等領(lǐng)域。

本書共分13章，其中，第1～5章、第9章主要涉及LNG過程控制開關(guān)類閥門研究及產(chǎn)業(yè)化內(nèi)容，主要包括LNG蝶閥、LNG球閥、LNG閘閥、LNG截止閥、LNG止回閥5類低溫閥門，主要應(yīng)用于-162℃ LNG液化及儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域，一般連接于LNG過程控制管道上，起開關(guān)低溫流體的作用。由于各類閥門具有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可適用于不同的LNG液化及儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)工況條件。

第6章、第8章所列研發(fā)產(chǎn)品主要涉及LNG減壓閥、LNG安全閥，主要連接于LNG真空容器或LNG管道上，LNG減壓閥主要起減壓作用，可根據(jù)不同降壓指標(biāo)，降低LNG系統(tǒng)或管道內(nèi)壓力。LNG安全閥主要應(yīng)用于LNG液化及儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，主要起安全泄放作用。

第7章主要涉及LNG節(jié)流閥，主要應(yīng)用于LNG液化單元開式LNG液化流程，可節(jié)流天然氣，降低天然氣溫度，或應(yīng)用于LNG液化單元閉式液化流程，根據(jù)節(jié)流溫度要求節(jié)流混合制冷劑，可作為四級(jí)節(jié)流閥使用。LNG節(jié)流閥的主要用途是節(jié)流混合制冷劑并產(chǎn)生節(jié)流制冷效應(yīng)，使天然氣溫度降低至-162℃并液化，起到節(jié)流制冷功效。

第10章主要涉及LNG針閥，可用于精確調(diào)節(jié)LNG流量，使LNG液化或管道流量達(dá)到精確調(diào)節(jié)及輸運(yùn)功能。

第11章主要涉及LNG呼吸閥，主要用于LNG系統(tǒng)壓力平衡控制。

第12章主要涉及LNG溫控閥，主要應(yīng)用于LNG液化工藝流程，控制LNG液化系統(tǒng)或LNG輸運(yùn)系統(tǒng)溫度。

第13章所列研發(fā)產(chǎn)品主要涉及LNG疏氣閥，主要應(yīng)用于LNG儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)，可分離LNG氣液兩相流，將飽和或過熱LNG流體中氣液兩相分離輸運(yùn)。

以上LNG系列閥門屬LNG液化過程中技術(shù)難度較大的LNG過程控制裝備系列化產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目，主要應(yīng)用于液化天然氣（LNG）、低溫制冷、煤化工、石油化工、空間制冷、裝備制造等多個(gè)領(lǐng)域。LNG系列閥門基礎(chǔ)研發(fā)及設(shè)計(jì)制造技術(shù)已趨于成熟，從裝備設(shè)計(jì)制造層面來講，已能夠應(yīng)用于LNG工藝系統(tǒng)，并推進(jìn)LNG系列過程控制裝備的國產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

本書所含研發(fā)項(xiàng)目涉及多股流低溫過程控制裝備核心技術(shù)，研究項(xiàng)目曾備受中國石油天然氣集團(tuán)有限公司、中國海洋石油集團(tuán)有限公司、中石油昆侖燃?xì)庥邢薰尽⒅袊厩蚬こ坦尽⑸袢A集團(tuán)有限責(zé)任公司、中國華能集團(tuán)有限公司等企業(yè)關(guān)注與支持，也曾得到國家及地方創(chuàng)新基金及其他研發(fā)經(jīng)費(fèi)大力支持，已經(jīng)具備了一定的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，屬系列化低溫過程控制裝備產(chǎn)品開發(fā)過程，主要有12類低溫裝備產(chǎn)品，具有很好的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢(shì)頭，有助于突破國際“大型LNG液化系統(tǒng)工藝及核心液化裝備設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)”，為系列化超低溫過程裝備國產(chǎn)化研究開發(fā)提供研究基礎(chǔ)。

本書第1～6章由張周衛(wèi)負(fù)責(zé)撰寫并編輯整理，第7～9章由汪雅紅負(fù)責(zé)撰寫并編輯整理，第10～13章由田源、張梓洲負(fù)責(zé)撰寫并編輯整理，全書最后由張周衛(wèi)統(tǒng)稿，田源、張梓洲、殷麗、王軍強(qiáng)參與修改校正。

本書受國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51666008），甘肅省財(cái)政廳基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（編號(hào)：214137），甘肅省自然科學(xué)基金（編號(hào)：1208RJZA234）等支持。 按照目前項(xiàng)目開發(fā)現(xiàn)狀，文中重點(diǎn)列出12類LNG閥門設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)，與相關(guān)行業(yè)內(nèi)的研究人員共同分享，以期全力推進(jìn)液化天然氣領(lǐng)域內(nèi)過程控制裝備的創(chuàng)新研究及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。由于水平、時(shí)間有限及其他原因，書中內(nèi)容難免存在疏漏之處，希望同行及廣大讀者批評(píng)指正。

蘭州交通大學(xué)

甘肅中遠(yuǎn)能源動(dòng)力工程有限公司

江蘇神通閥門股份有限公司

張周衛(wèi)　汪雅紅　田源　張梓洲

2017年11月