世界各地建造了大量的石油液化氣設(shè)備，這些設(shè)備及其元器件必須具有抵抗嚴(yán)寒，能夠承受液化氣體物理和化學(xué)腐蝕。閥門(mén)生產(chǎn)商如何使自家的產(chǎn)品滿足這些嚴(yán)苛的要求？

在美國(guó)，由于地緣政治的影響出現(xiàn)了工業(yè)再度發(fā)展，在水力壓解技術(shù)的幫助下開(kāi)采出了大量的天然氣。在短短的兩年時(shí)間里天然氣的價(jià)格下降了85%，從而使美國(guó)的天然氣價(jià)格只有歐洲的1/4。主要因?yàn)槊绹?guó)國(guó)內(nèi)供過(guò)于求，缺乏向海外運(yùn)輸?shù)哪芰�。目前，天然氣輸送一般采用管道輸送，但是長(zhǎng)距離的管道輸送方式造價(jià)昂貴。液化天然氣（LNG）成為長(zhǎng)距離管道輸送的替代方案。天然氣液化后的體積只有原來(lái)的1/600，可以用鐵路和船舶運(yùn)輸?shù)绞澜绺鞯�。�?dāng)陸路運(yùn)輸距離超過(guò)4000km，航運(yùn)距離超過(guò)2000km，液化天然氣的基礎(chǔ)設(shè)施比氣體管道輸送的基礎(chǔ)設(shè)施更加經(jīng)濟(jì)。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，液化天然氣因其很高的使用靈活性將會(huì)有很大的市場(chǎng)。設(shè)備制造商，例如（生產(chǎn)液化天然氣設(shè)備的）Linde公司和Uhde公司，（生產(chǎn)液化天然氣閥門(mén)的）裝備生產(chǎn)商KSB公司都將從這一產(chǎn)品的發(fā)展中獲利。

天然氣液化時(shí)，第一步需要對(duì)天然氣進(jìn)行凈化清洗，天然氣中二氧化碳含量最高可達(dá)9%，并能檢測(cè)到氯化氫的蹤跡。這兩種成分的氣體都應(yīng)在天然氣液化前的液化準(zhǔn)備過(guò)程中清除掉。第二步，凈化后的天然氣進(jìn)入一個(gè)復(fù)雜的液化過(guò)程，溫度需要冷卻到-161~-164℃，液化過(guò)程是天然氣液化設(shè)備投資最大的一個(gè)部分，以下為天然氣液化設(shè)備的成本分布：

液化設(shè)備占總投資的60%（液化設(shè)備消耗自己生產(chǎn)液化氣的12%左右）；

液化天然氣運(yùn)輸儲(chǔ)罐的費(fèi)用占20%；

再氣化和分配到用戶網(wǎng)絡(luò)前中間存儲(chǔ)設(shè)備的造價(jià)占20%。

然而，目前所有的天然氣液化設(shè)備都建造在陸地上。業(yè)內(nèi)正在討論遠(yuǎn)海天然氣田的FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船）的海上天然氣液化設(shè)備。

極寒條件下的液體輸送需要相應(yīng)的設(shè)備和裝備，例如切斷管道所需的閥門(mén)，能夠適應(yīng)液化天然氣特殊物理和化學(xué)特性的管道閥門(mén)。因?yàn)闊o(wú)意間的液化天然氣泄露會(huì)帶來(lái)很大的爆炸和燃燒風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 KSB公司Danais系列低溫控制閥在法國(guó)蒙托伊爾市的試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行測(cè)試

在極低的溫度條件下，大多數(shù)材料易冷脆，強(qiáng)度變小。因此，要求在低溫環(huán)境中使用的機(jī)械零件和密封件的材料要有非常好的低溫強(qiáng)度。每一個(gè)在低溫條件下使用的閥門(mén)都要用液氮在-196℃的低溫下進(jìn)行檢測(cè)，保證其功能的安全和可靠。

除了承受低溫的考驗(yàn)之外，參與天然氣液化的所有元器件還都必須要有非常好的耐熱膨脹性能，能夠承受天然氣冷卻液化和重新氣化時(shí)所產(chǎn)生的收縮和膨脹。

這些閥門(mén)的另一個(gè)承載因素就是持續(xù)性的壓力差，這類設(shè)備中的壓力等級(jí)為ANSI標(biāo)準(zhǔn)的150、300和600，相當(dāng)于2MPa、5MPa和10MPa的壓力。這類設(shè)備閥門(mén)的發(fā)展趨勢(shì)是ANSI壓力等級(jí)900（15MPa），而且這種閥門(mén)已經(jīng)在研發(fā)中。

雙重和三重偏心閥門(mén)

低溫閥設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的主要影響因素有3個(gè)：

溫度（決定了材料的選擇）；

壓力（決定了閥體的結(jié)構(gòu)）；

壓力差（決定了密封材料的選擇）；

為了保證液化天然氣控制閥的無(wú)泄漏，一般采用金屬密封件。這就使得低溫關(guān)閉閥有著明顯不同于中央位置、軟密封的特殊結(jié)構(gòu)：

安裝軸的通道中驅(qū)動(dòng)軸是偏心配置的，驅(qū)動(dòng)軸不在閥門(mén)的安裝軸線上，從幾何學(xué)的角度來(lái)講是非同心側(cè)置。這一驅(qū)動(dòng)軸與殼體之間采用石墨密封圈和O型密封圈密封。這一解決方案保證了在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠在有限的時(shí)間內(nèi)起到密封作用，同時(shí)這一方案能夠?yàn)樘烊粴庖夯�設(shè)備運(yùn)營(yíng)商提供密封和免維護(hù)的控制閥。

圖2 正在裝配的大型低溫控制閥

第二個(gè)偏心指的是軸相對(duì)于管道中心軸線的側(cè)置偏心。這就減小了控制閥關(guān)閉時(shí)閥板與密封止口接觸的角度（與單重偏心結(jié)構(gòu)型式的控制閥相比，這一角度從70°減少到35°）。接觸力和磨損都明顯減少，控制閥的使用壽命明顯延長(zhǎng)。

為了保證高壓時(shí)的密封嚴(yán)密性，還需要第三次偏心。這一偏心與控制閥閥板的幾何形狀有關(guān)，并減小了閥板密封件與密封面接觸時(shí)的角度，接觸角度只有5°。這樣，盡管控制閥承受的壓力很高，但卻有著很長(zhǎng)的使用壽命。這種三偏心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在全球許多重要的控制閥生產(chǎn)廠都得到了應(yīng)用。

KSB公司在其研發(fā)生產(chǎn)的Triodis 300和600系列以及新一代的900系列控制閥中就采用了三偏心設(shè)計(jì)。這些控制閥都是在La Roche-Chalais市生產(chǎn)制造的，并在專門(mén)的測(cè)試池中利用液氮進(jìn)行密封性能測(cè)試。

Technip公司、Eurodim公司和KSB公司一起開(kāi)發(fā)了Cinnectis柔性裝卸系統(tǒng)。在實(shí)際的應(yīng)用中，這一系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)快速的連接和脫開(kāi)，連接器處的雙重偏心密封裝置保證了密封的可靠性。在緊急脫開(kāi)時(shí)，殘留的液化天然氣量非常小，不超過(guò)2L。2008年，Cinnectis裝卸系統(tǒng)在法國(guó)蒙托伊爾市的試驗(yàn)設(shè)備中通過(guò)了挪威船級(jí)社的認(rèn)證。

海上裝卸的連接系統(tǒng)

Cinnectis柔性裝卸系統(tǒng)也可以在其他應(yīng)用領(lǐng)域中使用。例如兩艘船只在海上進(jìn)行液體產(chǎn)品輸送時(shí)，兩船之間不再需要架設(shè)輸送管道的沉重機(jī)械輸送臂。同時(shí)，這一系統(tǒng)可以在離岸港口設(shè)備應(yīng)用中使用。