前言

LNG系列閥門主要應用于-162℃天然氣低溫液化、LNG輸運、LNG存儲及LNG再氣化等領域，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、貯運工藝不同，外形設計不同，用途也不同。

在傳統的低溫流體控制領域，成套工藝流程中常用的過程控制閥門數量眾多，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，為成套工藝設備中不可缺少的主要設備，且一般都采用法蘭或螺紋連接于管道中。由于傳統的閥門存在控制密封面大，密封面多，存在盲區，易于泄漏等特點，不能應用于低溫易燃易爆流體等領域，尤其-162℃ LNG領域。

首先，以閘閥、球閥為例，傳統的閘閥、球閥打開或關閉時都會形成雙向密封，閥腔內都存在盲區。一般情況下LNG為低溫飽和液體或氣液兩相流，盲區內的LNG在閥門打開或關閉后，由于存在環境熱源，盲區內LNG迅速氣化，溫度迅速上升，壓力迅速增大，導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重的隱患。為解決這一問題，傳統的低溫閘閥、低溫球閥用于LNG時，通過在閥體外增加管道，連接盲區至球閥出口段，導出低溫流體，但這種方法導致盲區與閥門一端連通，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，故外加導管連通一側不能有效解決雙向截止的問題。同時，外加導管由于強度等原因易于損壞泄漏，且存在閥體外側不易于加裝保溫層，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CH4，傳統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，密封材料極易出現低溫脆斷，密封面經常出現泄漏，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，閥桿旋轉執行器、上閥體及上部閥桿部件與外部大氣環境接觸，閥門兩端存在200℃左右的溫差，導致部件內部存在很大的溫差應力，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，以防止旋轉執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，兩者熱膨脹系數相差較大，低溫工況下存在較大溫差應力，相互接觸后，低溫應變容易導致閥體開裂，閥桿變形，主密封面破壞，LNG無法截止等問題。所以，傳統的低溫閥門用于LNG領域時，要求閥桿較長以減少局部溫差應變，使整個閥門體積較大，以適應于冷收縮及解決較大溫差應力等問題。最后，LNG為低溫流體，管道輸送壓力一般低于0.2MPa，處于飽和狀態或過熱狀態，輸送時外界會源源不斷通過閥門及管道給LNG提供熱量，導致LNG持續氣化，出現兩相流。兩相流遇到突然截止時，容易導致管道內剩余LNG壓力劇增并過臨界。當壓力迅速超過臨界壓力4.6MPa，溫度超過臨界溫度-82.59℃后，會給整個輸送系統安全造成極大的安全隱患，所以，一般的LNG閥門或LNG系統的設計壓力大于6MPa，使整個LNG系統設計難度增大，設備笨重，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，也是目前設計計算較復雜、加工制造難度較大的低溫過程控制裝備，沒有統一的設計計算方法，計算過程中需要復核計算低溫材料強度，選擇氣液兩相流參數等，隨著工藝流程或物性參數特點不同而存在較大差別，難以標準化。此外，由于LNG系列閥門種類較多，沒有統一的結構設計模型及理論設計計算方法用于計算機輔助計算過程，給LNG系列閥門的科學計算過程帶來了障礙。20世紀80年代以來，國外主要有美國泰科公司等開發，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，需要閥門數量少等特點。國內在LNG液化工廠、LNG接收站及LNG氣化站等方面已有應用，一般隨整體工藝成套進口。蘭州交通大學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，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備的LNG系統配套用低溫閥門進行開發，根據不同溫度及控制領域，研究不同種類的低溫閥門設計計算方法。本書針對-162℃ LNG系列閥門結構特點，研究開發了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，已具備產業化設計及加工制造能力。

《液化天然氣裝備設計技術—LNG低溫閥門卷》共收集張周衛、汪雅紅等主持研發的低溫過程控制通用閥門12項，主要包括LNG蝶閥、LNG球閥、LNG閘閥、LNG截止閥、LNG減壓閥、LNG節流閥、LNG安全閥、LNG止回閥、LNG針閥、LNG呼吸閥、LNG溫控閥、LNG疏氣閥12個類別，主要應用于-162℃ LNG領域，涉及12類低溫過程控制閥門裝備研發技術，內含低溫制冷基礎研究與產品設計計算過程。研發產品可應用于液化天然氣、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過程控制開關類閥門研究及產業化內容，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，主要應用于-162℃ LNG液化及儲運領域，一般連接于LNG過程控制管道上，起開關低溫流體的作用。由于各類閥門具有不同的結構特點，可適用于不同的LNG液化及儲運系統工況條件。

第6章、第8章所列研發產品主要涉及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，可根據不同降壓指標，降低LNG系統或管道內壓力。LNG安全閥主要應用于LNG液化及儲運系統，主要起安全泄放作用。

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

第10章主要涉及LNG針閥，可用于精確調節LNG流量，使LNG液化或管道流量達到精確調節及輸運功能。

第11章主要涉及LNG呼吸閥，主要用于LNG系統壓力平衡控制。

第12章主要涉及LNG溫控閥，主要應用于LNG液化工藝流程，控制LNG液化系統或LNG輸運系統溫度。

第13章所列研發產品主要涉及LNG疏氣閥，主要應用于LNG儲運系統，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。

以上LNG系列閥門屬LNG液化過程中技術難度較大的LNG過程控制裝備系列化產品研發項目，主要應用于液化天然氣（LNG）、低溫制冷、煤化工、石油化工、空間制冷、裝備制造等多個領域。LNG系列閥門基礎研發及設計制造技術已趨于成熟，從裝備設計制造層面來講，已能夠應用于LNG工藝系統，并推進LNG系列過程控制裝備的國產化及產業化進程。

本書所含研發項目涉及多股流低溫過程控制裝備核心技術，研究項目曾備受中國石油天然氣集團有限公司、中國海洋石油集團有限公司、中石油昆侖燃氣有限公司、中國寰球工程公司、神華集團有限責任公司、中國華能集團有限公司等企業關注與支持，也曾得到國家及地方創新基金及其他研發經費大力支持，已經具備了一定的研究開發及產業化基礎，屬系列化低溫過程控制裝備產品開發過程，主要有12類低溫裝備產品，具有很好的產業化發展勢頭，有助于突破國際“大型LNG液化系統工藝及核心液化裝備設計計算技術”，為系列化超低溫過程裝備國產化研究開發提供研究基礎。

本書第1～6章由張周衛負責撰寫并編輯整理，第7～9章由汪雅紅負責撰寫并編輯整理，第10～13章由田源、張梓洲負責撰寫并編輯整理，全書最后由張周衛統稿，田源、張梓洲、殷麗、王軍強參與修改校正。

本書受國家自然科學基金（編號：51666008），甘肅省財政廳基本科研業務費（編號：214137），甘肅省自然科學基金（編號：1208RJZA234）等支持。 按照目前項目開發現狀，文中重點列出12類LNG閥門設計計算技術，與相關行業內的研究人員共同分享，以期全力推進液化天然氣領域內過程控制裝備的創新研究及產業化進程。由于水平、時間有限及其他原因，書中內容難免存在疏漏之處，希望同行及廣大讀者批評指正。

蘭州交通大學

甘肅中遠能源動力工程有限公司

江蘇神通閥門股份有限公司

張周衛　汪雅紅　田源　張梓洲

2017年11月