1 概述
液化天然气（LNG）作为一种清洁燃料，已成为城市管道供气、分布式能源系统、汽车及飞机等交通工具的主要能源之一。LNG是天然气在经净化及超低温状态下（-162℃、一个大气压）冷却液化的产物。液化后的天然气体积约为天然气体积的1/600（0℃、1个大气压时）。LNG无色无味，主要成分为甲烷，很少有其他杂质。其液体密度约426kg/m3，此时气体密度约1.5kg/m3。爆炸极限为5%～15%（体积%），燃点为450℃。天然气液化、运输、储存和汽化等工艺配套设备的建设，给超低温阀门的发展带来了契机。LNG接收站主要的截断阀类有超低温球阀、超低温闸阀、超低温截止阀和超低温蝶阀，其中超低温球阀用量较多。
2 结构特点
2.1 阀体
超低温固定球球阀为全通径（图1）结构，阀门在全开启位置时无阻挡，内部通径符合API6D的规定。阀体为一体式结构，相对于二片式或三片式阀体，减少了泄漏点。阀门为顶装式结构，可实现在线更换内部密封件，公称直径≥NPS2的超低温球阀设计为固定球。
1.阀体2.阀盖3.滴盘4.支架
5.阀杆6.齿轮驱动装置
图1 超低温固定球球阀
2.2 阀盖
采用加长阀盖，其目的在于能起保护填料函的功能。保证填料函部位的温度在0℃以上，使填料可以正常工作。加长阀盖的设计主要是颈部长度的设计，其与材料的导热系数、导热面积及表面散热系数、散热面积等因素有关，计算比较繁琐，一般由实验法求得或采用相关标准。具体数据，可以按表1确定。
表1 加长阀盖颈部长度L（mm）
2.3 滴盘
加长阀盖设置有滴盘，可以防止冷凝水流入保温层。滴盘的位置同时标明了低温球阀进行现场保温材料的最高位置。在阀盖上钻一连通孔，使加长段空腔与阀门中腔连通，确保不会使加长段空腔产生异常升压。
2.4 自泄压
中腔异常升压的泄放通过自泄压阀座来实现，中腔自泄压方向为上游管道。
2.5 阀杆密封
阀杆处密封为低泄漏、低维护的结构。根据具体尺寸设计成二道或多道密封，使阀杆处密封等级满足ISO15848-2的B级要求，还可防止水压试验时有水进入到柔性石墨填料内，耐久等级满足ISO15848-1的C01级。在填料压板螺栓连接处设置有碟形弹簧，进行过载荷补偿，避免了温度交变下的活动载荷的影响。
在阀杆与球体结合部以及阀杆与阀盖接触处有防静电装置（钢球和弹簧），防止静电在球体上积聚。在12V直流电下测试，球体与阀盖及阀杆与阀盖之间的电阻值不超过10Ω。超低温固定球球阀还应设计满足API6FA或API607标准的安全防火结构。
2.6 阀座密封
在超低温状态下，阀座与阀体配合处的密封采用唇式密封圈（图2）是最合适的选择。唇式密封圈本身精度要求高，同时对配合金属零件的精度和表面光洁度要求也较高。阀座密封圈材料采用超低温性能优异的PCTFE（kel-f），其性能参数见表2。
图2 唇式密封圈
表2 阀座密封圈材料性能
2.7 驱动机构
阀门在阀杆与垂线成30°夹角时，能够正常操作。手动球阀（包括采用执行器、齿轮驱动装置）均应设置锁定装置，使超低温球阀可以在全开启或全关闭的位置都能够被锁定。执行机构可在线更换维修，亦能在结冰的条件下操作。
3 主体材料检验
（1）材料的检验与试验应符合相应EN10204及ASTM标准的要求。
（2）对于阀体、阀盖、阀杆、球体及阀座密封圈，每批（指同批号、同材质、同规格、同炉号和同热处理条件）材料至少抽验一次化学成分和力学性能试验，试验结果应符合ASTM标准的要求。
（3）所有低温阀门的锻造材料和铸造材料应逐件按MSSSP-55进行外观检查（VT），对于铸件热裂和裂纹缺陷不允许出现，对于锻件不允许存在发纹、裂纹、夹层及折叠等缺陷。其余缺陷合格标准不应低于MSSSP-55中的B级要求。
（4）铸造承压部件材料、对焊端部及与之进行焊接的过渡管段的所有焊缝应按照ASMEB16.34的要求进行射线检测。验收标准参见ASTME446、E186或E280，ASME锅炉及压力容器规范SECV卷第五章并应满足上述规范中A类、B类以及C类不连续性（缺陷）严重等级2的要求。不允许存在D、E、F以及G类缺陷。
（5）对低温球阀的球体密封面、对焊端坡口的外表面，应进行液体渗透检测，检测按ASTME165标准进行，这些部位的液体渗透检验应无缺陷。
（6）锻造承压部件材料（包括阀杆）应进行超声波检验，检验按ASTMA388标准进行。不得有任何深度达到5%壁厚的缺陷存在。
（7）阀门的缺陷清除以及补焊修复应按照ASMEB16.34第8.4节的规定。其中锻制承压部件不允许补焊修复。
（8）阀门的主要受压元件（阀体、阀盖、球体）材料应进行-196℃低温冲击试验。试验方法按ASTMA370的规定。
（9）评定阀体对焊端和短管的焊缝-196℃下的冲击值。焊接工艺评定报告应按照ASMEB31.3标准要求，进行-196℃夏比V型冲击试验，标准试样测试可以接受的最小横向膨胀值为0.38mm。
（10）在超低温工作温度下，为保持材料的组织结构稳定，防止材料相变而引起体积变化，并降低机械加工对零件变形的影响。对超低温阀门，其和介质接触的主要零部件均须进行深冷处理。将阀体、阀盖、球体、阀座和阀杆等零件在粗加工后、精加工前浸放在液氮箱中进行冷却，当零件温度达到-196℃时，开始保温1～2h，然后取出箱外自然处理到常温，重复循环2次。零件在焊接后也应进行深冷处理以消除应力和变形。
4 阀门的检查和试验
（1）对每个球阀要进行尺寸检验，端部尺寸和偏差应符合ASMEB16.10、ASMEB16.5、ASMEB16.25标准的要求。
（2）所有低温球阀在装配完成后，应进行常温压力试验。按API598标准进行检验，包括①壳体水压试验。②高压密封试验。③低压密封试验。④阀腔的泄放试验。
（3）常温动作性能试验中，手动和带驱动装置的球阀应当在球阀整机装配后至少进行5次完整带压启闭循环操作。带驱动装置的球阀进行压力试验时必须整机带压操作球阀。
（4）奥氏体不锈钢材质的超低温球阀其压力试验有特殊要求。①压力试验用水中的氯离子含量应低于0.03%。②压力试验完成后，试验用水应立即排净。球阀应彻底除水、除油脱脂处理。
（5）按ISO15848-2标准对阀杆和阀体密封件处进行逸散性泄漏检测。
（6）按API6D附录B.5的规定进行防静电试验。
（7）球阀低温试验在常温试验合格后进行，应按BS6364标准以同尺寸/类型/炉号和材料的球阀组成一批做低温性能试验，按10%比例进行抽检，抽检比例最少为一件。低温试验的温度为-196℃。执行低温试验前，阀门必需干燥，防止低温试验时未干的水固化，影响密封。阀门放入冷却介质中后，应通以0.2MPa的氦气，使阀门里的湿气排除。阀门冷却过程应有合理的热电偶布置，对阀门的关键部位进行温度监控，确保阀门充分冷却、温度均匀后才能开始试验。超低温试验一般采用液氮进行冷却，用氦气进行阀门泄漏测试。阀座密封试验时，需采用分段式增压。应保证低温试验后阀门自然回温，回温过程应防止潮气进入阀门。低温试验的允许泄漏率见表3。
表3 阀门低温试验允许泄漏率
注：P为阀门承压壳体材料在38℃（100°F）时的压力额定值。
5 结语
随着天然气资源以其丰富的蕴藏量的开发和应用，LNG输送很好的解决了管道天然气（PNG）无法到达的城市天然气的使用，其发展迅速，优势明显，将会迎来一个广阔的发展空间。在建和规划建设的LNG接收站将最终构成一个沿海LNG接收站和输送管网。随着市场的放开及国家重大工业装置/设备国产化政策及关键技术的突破，超低温阀门的市场需求正逐年上升。通过合理的结构设计、强度计算、材料的检验、深冷处理，以及低温性能试验，可以使超低温固定球球阀在功能、安全性及可靠性等方面满足LNG工况的要求。
