LNG接收站管線球閥國產化關鍵技術研究

王乃民,李俊,頓張靜,馬國印,陳健

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

液化天然氣(LNG)接收站是對船運LNG進行接收、儲存、氣化和外輸等作業的場站[1]。接收站儲存的LNG主要通過高壓氣化和低壓槽車外輸,工藝流程如圖1所示,高壓氣化外輸氣進入燃氣管網前,在接收站末端外輸總管上設置管線球閥用于緊急關斷,以保障燃氣管網安全[2-3]。

圖1 LNG接收站高壓氣化外輸流程示意

目前,中國共投用20多座LNG接收站,氣化外輸管線球閥口徑一般超過DN900,壓力等級大于Class 900。本文介紹的某LNG接收站工程項目擬在氣化外輸總管設置1臺氣動緊急關斷球閥,管線工藝參數見表1所列。

表1 氣化外輸管線工藝參數

由表1可知,該項目管線規格為DN1000,一方面目前國內管線球閥尚未有大口徑高壓力等級球閥生產和使用業績;另一方面,受到歐美等國家技術壁壘影響,進口閥門存在供貨周期延長甚至無法供貨的局面,給國內接收站工程建設帶來巨大挑戰。綜合以上不利因素,筆者擬通過對管線球閥國產化關鍵技術進行研究,實現DN1000,Class 1500管線球閥的國產化,為其他LNG接收站管線球閥國產化提供經驗指導。

1 方案確定

球閥一般有頂裝式、全焊接和分體式,三種型式球閥優缺點對比見表2所列。

表2 三種型式球閥優缺點比較

根據表2比較結果,從功能安全的設計理念出發,應首選頂裝式和全焊接球閥,但結合目前國內閥門廠家的生產能力和使用業績,全焊接閥門的生產能力和使用業績較多,筆者研究的項目最終確定采用全焊接DN1000,Class 1500的球閥。

執行機構為閥門提供動力,閥門的執行機構有電動、氣動和氣液聯動幾種形式,其優缺點見表3所列。

表3 三種閥門執行機構對比

從表3可以看出,電動執行機構扭矩小,很難滿足管線球閥大推力要求;考慮到接收站內人員和設施的安全,以及接收站配置了儀表氣源、UPS電源,也不宜選用氣液聯動執行機構;若選用氣動執行機構后續應特別注意扭矩能否滿足要求。

綜上所述,該工程項目管線球閥采用氣動全焊接球閥。

2 關鍵技術

2.1 材料選擇

針對實際工況,如使用介質、使用溫度、環境溫度等,閥門合理選材非常重要,包括殼體內部密封件的材質選擇和工藝處理。以往項目中,閥體選擇材質牌號為A216-WCB適用于大口徑中低壓閥門的鑄鋼,閥座材質為工程塑料PTFE和PCTFE。材質牌號為A105的鍛鋼適用于小口徑閥門或高壓閥門,該材質的鍛造致密性更好一些,能減少氣泡砂眼等。PTFE和PCTFE在低溫環境中應用會遇到不同的問題,PEEK性能優異,是所有工程塑料中最接近PTFE的特種材料。結合筆者研究項目的超高壓工況,進行材料優化設計,球閥本體材質選用A105鍛鋼,閥座材質選擇PEEK[4]。

2.2 閥門結構

2.2.1 全焊接球閥

閥體的設計采用鍛造的結構型式,中體和左右體通過2個平行的環形焊縫相連,由焊接專用設備完成,特殊設計和焊接工藝可免除低溫退火的處理。采取了焊前預熱,并在焊接過程中控制溫度,焊后緩慢冷卻,減小焊接應力。焊后材料的抗拉、抗彎強度,延伸率,低溫沖擊韌性等各項指標都能滿足要求。焊接操作和焊工符合文獻[5]的規定。焊后進行超聲波檢驗,保證焊縫質量。

2.2.2 閥門密封

管道球閥通常選用雙隔離與排放(DIB)球閥,DIB球閥又分為1型(DIB-1)和2型(DIB-2)兩種。DIB-1型球閥目前應用于輸氣管道工程較多,DIB-2型球閥則在輸油管道應用廣泛。DIB-1型、DIB-2型球閥結構上的區別在于2個閥座不同的組合型式[6],分為單活塞閥座和雙活塞閥座,如圖2和圖3所示。由圖3可知,雙活塞閥座通過增加O型圈截面積,當閥門腔內壓力升高時,對閥座產生一個從右至左的合力,實現雙向密封。

圖2 單活塞閥座示意

圖3 雙活塞閥座示意

雙堵塞雙排放型球閥(DBB型)、DIB-1型和DIB-2型球閥的閥座性能特點比較見表4所列。

表4 DBB型、DIB-1型和DIB-2型球閥的閥座密封性能特點比較

DIB-2型球閥的優點是當閥門關閉后,介質被完全隔離無法進入管道下游,同時,當腔體壓力異常升高時,可以自動泄壓到閥門的上游,對閥門起到保護作用。該類閥門在安裝時有方向要求,需特別注意,如若方向安裝反,則效果與DBB型球閥相同?？紤]到閥門的使用要求和安全性,筆者研究的項目中管道球閥選擇DIB-2型結構。

2.2.3 球座強度和剛性匹配

通過對球體和閥座進行有限元分析,驗證球體和閥座的強度和剛性匹配性。球座強度方面,要求有限元分析應力值要低于材料的屈服強度,并有一定的安全余量。球座剛性匹配方面,確保球口位置有限元分析具有足夠的接觸壓力,實現防泄漏,滿足高壓天然氣工況要求。

2.2.4 防吹出和防火防靜電設計

閥桿的頭部設計有凸肩,在閥體上采用四開環卡阻填料箱,填料箱壓住閥桿凸肩卡環鎖定。當閥桿在閥腔介質壓力的作用下,填料不會被介質壓力吹出,可實現在線帶壓更換。

閥座密封采用金屬密封加軟密封的雙重密封結構,初級為防火結構的金屬硬密封,次級為非金屬軟密封。當軟密封遭火災燃燒時,金屬硬密封能夠完全達到密封效果。閥桿部位采用多重密封組合結構,并裝有失火安全“柔性石墨填料”,有效保證了閥門的防火安全性。

閥門的閥體、內件、閥蓋、閥桿等的防靜電設計采用彈簧-鋼球式靜電引出裝置,防靜電電路的電阻小于10 Ω。

2.2.5 閥門的檢驗測試要求

根據API 6D: 2008《管線和管道閥門規范》和ASME B16.34: 2017《法蘭端、螺紋端、焊接端閥門規范》,對球閥做相關試驗和測試,包括閥門閥體焊縫超聲檢測、袖管焊縫射線檢測、閥門強度壓力試驗、高壓水密封試驗、DIB-2型球閥性能測試、低壓氣密封試驗、執行器功能測試等[6-7]。

3 制造要求

首先對國內閥門制造廠進行篩選,初步確定具備生產能力的廠家,再通過資格證書、質量控制能力、生產能力、技術保障等方面進行綜合評定[8]。

3.1 資格證書

初步篩選5家國內閥門制造廠,都有API 6D證書、都具備SIL2認證,防火證書和特種設備制造許可證(TS)因國內使用業績較少,可允許隨貨提供,球閥的API 607認證情況見表5所列。

表5 5家閥門制造廠球閥API 607認證情況

3.2 質量控制

閥門廠家應具有有效期內的ISO 9001認證證書,并嚴格按照ISO 9001的要求,建立完善的質量保證體系。制定專業的工作規程和執行規范,落實質量手冊和程序文件的具體化要求,形成質量文件體系。

3.3 生產能力

生產能力主要包含加工能力、焊接能力、裝配能力和檢測能力。加工能力主要體現在數控機床、立車、吊機等大型設備加工范圍,焊接能力主要是焊機能力和焊工水平。

4 國產化應用

經過對5家閥門制造廠認證證書、生產能力、質量控制的對比,選擇了其中一家進行國產化應用。正式生產前廠家應提供送審資料供設計審核,批準后方可生產,送審資料包括: 扭矩計算書、執行機構六點扭矩、閥門結構圖紙、檢驗測試計劃等,按照檢驗測試計劃要求,聘請第三方人員駐場見證,包括: 抗靜電測試、殼體壓力試驗、密封試驗、扭矩測試、外觀尺寸檢驗等重要節點,出廠前FAT測試和現場SAT測試。

通過整體測試結果與技術要求對比,閥門各項性能滿足要求,達到投用標準。通過國產化打破了國外技術的壟斷,降低了接收站投資成本,并且國產閥門供貨期較短,保證了工程建設進度。

5 結論與建議

通過LNG接收站高壓大口徑管線球閥的方案選擇,材料選擇,閥門結構包括密封,強度和剛度匹配,防吹出、防火、防靜電等的設計,并考慮對制造廠的要求,從而實現高壓大口徑管線球閥生產的國產化,為其他LNG接收站建設奠定了基礎,研究成果已在后續的2個LNG接收站項目中推廣應用。針對后續項目大尺寸超高壓管道球閥國產化應用有以下建議:

1)建議閥體材質采用牌號為A694F60/ENP的高強度不銹鋼,可以在不影響性能的前提下降低成本。對于北方低溫區域的接收站球閥,建議閥體材質采用材質牌號為A350 LF2的耐低溫鍛鋼。

2)建議閥座采用彈性更好的改性尼龍DEVLON V。采用該材質制造的閥座密封更穩定,更適合高壓氣工況。該材質適用于超大規格的管道,最大管徑可達225 cm(90英寸),在滿足同等工況的前提下,價格低廉。