1 概述
在国家“碳达峰、碳中和”政策的驱动下，在新能源结构调整的大背景下，液化天然气（LNG）作为一种清洁能源，得到了快速的发展。在LNG运输过程中的工艺阀门作为系统切断的保障，对LNG的输送过程的安全性起着重要的作用。为适应LNG输送的特点，LNG运输过程中的工艺阀门须具有一些特殊结构。
2 工作介质特性
工作介质为液化天然气（LNG），是一种烃类混合物，主要成分是甲烷，含有少量乙烷、丙烷、氮等组分。0℃和1个大气压下，单位体积的LNG气化后的体积接近于液相体积的600倍。正是基于液化天然气的特性，LNG运输过程中的工艺阀门要求考虑封闭空间的自泄压结构，以避免气化过程中出现超压危险。
在LNG泄漏时，如果天然气的体积浓度达到 5%～15%时，就会产生爆炸危险。在受限制的区域(如密集的设备和建筑物)，可以产生较高的压力,进而引起严重的不良后果。因此对于LNG运输过程中的工艺阀门来说，采用没有泄漏点的焊接连接型式，更加有利于LNG系统的安全运行。焊接型式的阀门设计，同时需要考虑在线维护的需求。
3 阀门结构特点
（1）整体式阀体
阀门宜采用整体式阀体，上装式阀门的结构应满足在线维修的要求。目的在于减少液化天然气管道系统的泄漏点，考虑到管线在低温下的收缩和管道内介质的泄漏风险，尽量避免分体式阀门的使用。此点在EN1473中也有同样的要求。在使用整体式阀门的同时，考虑到阀门的维修方便，提出使用上装式阀门（top-entry）结构。此种结构应能满足在线维修的要求，如在液化天然气接收站项目中大量使用的球阀，使用上装式结构，应在阀座密封结构设计时应做到，不仅考虑阀座处的密封设计，同时考虑阀座结构应具有可拆卸维修的功能。
（2）上密封结构
闸阀和截止阀应具有上密封结构，上密封应位于阀盖加长颈靠近填料函的下部。此点在BS6364中也有明确的要求。
（3）阀腔泄压结构
双向密封的球阀应有阀腔泄压结构，基于LNG气化产生的600倍的体积膨胀，阀门须具备泄压结构。泄压结构主要有两种：一种是开孔结构，比如阀球开孔、阀板开孔或者阀座开孔，经常在小口径阀门上使用；另外一种是阀门的自泄压阀座结构，此种结构称为双向隔离可泄放型DIB-2结构（如图1）。对有泄压方向要求的阀门，如果采用泄压结构，应在阀体上进行标识，明确阀门的泄放侧。
（a）双向隔离可泄放型-A
（b）双向隔离可泄放型-B
（5）焊接结构
阀门承压件采用焊接结构时，应为对焊连接型式。因此需要考虑材料的焊接性能及低温下焊缝的可靠性。在工程项目中，往往设计成双证材料也有焊接方面的考虑。
（6）高度要求
基于LNG的超低温工作工况，国标51257对两个重要的高度进行了规定，即阀盖加长颈的最低高度和滴盘的参考高度，此高度在具体阀门设计中需要作为一个重点予以考虑。
图2阀盖温度场模拟示意图
除此之外，阀盖加长还需要考虑阀门在保冷情况下的表现，保冷高度的变化会影响加长阀盖的温度场，因此在阀门设计时需要考虑保冷的最高高度，并应标注在阀门的阀盖位置，通常阀门滴盘的位置就是阀门保冷的最高位置。
国标51257对阀门的加长阀盖进行了相关规定，并在规定中引用了JB/T 12621《液化天然气阀门技术条件》 关于加长高度的要求。
（7）超低温密封结构
LNG输送在-196℃超低温工况下，密封结构多采用lip-seal泛塞唇形密封（见图3），此种密封由内部弹簧和外部唇圈组成。
图3 泛塞唇形密封示意图
具有自密封效果，即在内部压力提升时，能够自身加强密封比压，形成可靠的密封。
软密封材料多为KEL-F(PCTFE)、VESPEL等具有抗冷流性能的高分子材料，此种材料在深冷（-196℃）下性能稳定，不会产生冷流，金属支撑对软密封起到一定的保护作用，尤其对于高压阀门，应在阀座结构设计时给予考虑。
（8）阀门逸散性要求
LNG用阀门需要满足逸散性要求，在有条件的情况下，应对阀门的逸散性进行监控，如果有大量LNG或者NG溢出时，需要立即采取措施。逸散性的级别一般采用ISO 15848-1B级,阀门应具有此级别的认证，而且产品需要按照ISO 15848-2[10]的规程进行出厂检验，试验介质使用氦气，填料密封处的泄漏量需要控制在100ppm以下，方能出厂使用。
（9） 阀门防火结构
阀门的防火要求应满足相关标准的要求。如球阀应满足API607[11]的要求；闸阀、截止阀应满足API6FA[12]的要求；止回阀应满足API6FD[13]的要求，阀门一般需要取得相应的防火认证后方能在液化天然气系统上使用。
（10）强度和密封比压分析
阀座与球体的强度关乎整个阀门的密封性能，一般用于LNG储运的低温锻造材质选择为ASTM A182 304/304L[14]，大口径铸件低温材质选择为ASTM A351 CF3/CF8。在超低温工况下，低温材料需要考虑马氏体变态导致的尺寸变化与材料脆化，铁素体含量过高导致的低温脆性，低温下各部件或非金属夹杂物与基体间膨胀系数不同导致的变形或应力。在密封状态下，其密封区域的应变应严格控制在允许范围内。一般要求采用有限元分析的方法确定密封副的应力应变状态（如图4~图6）。为保证阀门的密封可靠性，分析时模拟零件处于密封试验压力状态下，各承压区域按设计压力的1.1倍进行计算（按ASME Ⅷ-2 AD-151.1）。从分析结果验证：球体、阀座在密封压力作用下密封面的吻合程度；密封比压是否足够；其应力是否在标准规定的允许范围内。
图4 阀座、球体应力分布云图
图 5 阀座、球体应变分布云图
图6 阀座密封面处应力分布云图
4 结语
LNG运输过程中的工艺阀门需要具有加长阀盖、自卸压阀座、阀杆防吹出、唇形密封、阀门防火等特殊结构，在阀门材料强度、密封比压等方面的设计也有特殊要求。这些结构和材料方面的要求和特点与LNG的特性相匹配，为工艺介质的安全切断提供必要条件，为LNG运输过程的安全性和稳定性提供保障。