前言
LNG系列阀门主要应用于-162℃天然气低温液化、LNG输运、LNG存储及LNG再气化等领域，包括LNG截止阀、LNG闸阀、LNG蝶阀、LNG止回阀、LNG球阀、LNG安全阀、LNG节流阀等系列阀门，均属带相变多相流低温高压过程控制装备，因液化工艺、贮运工艺不同，外形设计不同，用途也不同。
在传统的低温流体控制领域，成套工艺流程中常用的过程控制阀门数量众多，其中截止阀、闸阀、球阀为主要通断阀门之一，具有流动阻力小，可输送气液两相流，阀门不易堵塞，控制流量大等特点，而闸阀、球阀具有双向密封，双向通断，控制方便等特点，为成套工艺设备中不可缺少的主要设备，且一般都采用法兰或螺纹连接于管道中。由于传统的阀门存在控制密封面大，密封面多，存在盲区，易于泄漏等特点，不能应用于低温易燃易爆流体等领域，尤其-162℃ LNG领域。
首先，以闸阀、球阀为例，传统的闸阀、球阀打开或关闭时都会形成双向密封，阀腔内都存在盲区。一般情况下LNG为低温饱和液体或气液两相流，盲区内的LNG在阀门打开或关闭后，由于存在环境热源，盲区内LNG迅速气化，温度迅速上升，压力迅速增大，导致上部多重密封及下部主密封面极易损坏，且阀门存在爆破等更严重的隐患。为解决这一问题，传统的低温闸阀、低温球阀用于LNG时，通过在阀体外增加管道，连接盲区至球阀出口段，导出低温流体，但这种方法导致盲区与阀门一端连通，损坏了闸阀、球阀主密封面双向密封、双向截止、双向控制的优势，闸阀、球阀只能使用一个主密封面，不能起到双向密封的作用。另外，由于管道两端的LNG均极易气化，LNG流体易于反向流动等原因，要求LNG闸阀、LNG球阀起到双向截止，双向密封的作用，故外加导管连通一侧不能有效解决双向截止的问题。同时，外加导管由于强度等原因易于损坏泄漏，且存在阀体外侧不易于加装保温层，阀体外观不对称等缺点。
其次，由于LNG气化后为易燃易爆气体，主要成分为CH4，传统的低温阀门由于存在较多的密封，容易引起CH4泄漏，如双向主密封、阀体与阀盖之间的多重密封、管道法兰连接密封等，尤其在-162℃低温工况下，密封垫片及密封面往往直接与LNG接触，密封材料极易出现低温脆断，密封面经常出现泄漏，存在很大的安全隐患。此外，由于LNG阀门上下温差较大，以截止阀、闸阀为例，阀体与LNG接触，阀杆旋转执行器、上阀体及上部阀杆部件与外部大气环境接触，阀门两端存在200℃左右的温差，导致部件内部存在很大的温差应力，尤其在阀杆与上阀体之间。由于LNG阀体一般采用铸钢制造，传热速率较快，需要较长的上阀体及阀杆延迟传热，以防止旋转执行器等部件温度太低，不能正常工作，或防止人员冻伤等，所以一般要求阀杆延长至顶部不结霜为至。此外，由于阀体采用铸钢件，阀杆采用钢性锻件，两者热膨胀系数相差较大，低温工况下存在较大温差应力，相互接触后，低温应变容易导致阀体开裂，阀杆变形，主密封面破坏，LNG无法截止等问题。所以，传统的低温阀门用于LNG领域时，要求阀杆较长以减少局部温差应变，使整个阀门体积较大，以适应于冷收缩及解决较大温差应力等问题。最后，LNG为低温流体，管道输送压力一般低于0.2MPa，处于饱和状态或过热状态，输送时外界会源源不断通过阀门及管道给LNG提供热量，导致LNG持续气化，出现两相流。两相流遇到突然截止时，容易导致管道内剩余LNG压力剧增并过临界。当压力迅速超过临界压力4.6MPa，温度超过临界温度-82.59℃后，会给整个输送系统安全造成极大的安全隐患，所以，一般的LNG阀门或LNG系统的设计压力大于6MPa，使整个LNG系统设计难度增大，设备笨重，体积庞大。
LNG系列阀门涉及低温流体过程控制及多相流控制过程，也是目前设计计算较复杂、加工制造难度较大的低温过程控制装备，没有统一的设计计算方法，计算过程中需要复核计算低温材料强度，选择气液两相流参数等，随着工艺流程或物性参数特点不同而存在较大差别，难以标准化。此外，由于LNG系列阀门种类较多，没有统一的结构设计模型及理论设计计算方法用于计算机辅助计算过程，给LNG系列阀门的科学计算过程带来了障碍。20世纪80年代以来，国外主要有美国泰科公司等开发，可进行低温工况下的LNG过程控制等，具有控制效果好，集约化程度高，需要阀门数量少等特点。国内在LNG液化工厂、LNG接收站及LNG气化站等方面已有应用，一般随整体工艺成套进口。兰州交通大学与甘肃中远能源动力工程有限公司曾对-162℃ LNG系列阀门、-70℃低温甲醇用系列阀门、-197℃液氮系列阀门、-210℃空间飞行器用系列阀门等进行了系列化开发，主要针对以-162℃ LNG系列板翅式换热器、-162℃ LNG系列缠绕管式换热器等为主液化设备的LNG系统配套用低温阀门进行开发，根据不同温度及控制领域，研究不同种类的低温阀门设计计算方法。本书针对-162℃ LNG系列阀门结构特点，研究开发了LNG截止阀、LNG闸阀、LNG蝶阀、LNG止回阀、LNG球阀、LNG安全阀等多种类型的LNG控制阀门，已具备产业化设计及加工制造能力。
《液化天然气装备设计技术—LNG低温阀门卷》共收集张周卫、汪雅红等主持研发的低温过程控制通用阀门12项，主要包括LNG蝶阀、LNG球阀、LNG闸阀、LNG截止阀、LNG减压阀、LNG节流阀、LNG安全阀、LNG止回阀、LNG针阀、LNG呼吸阀、LNG温控阀、LNG疏气阀12个类别，主要应用于-162℃ LNG领域，涉及12类低温过程控制阀门装备研发技术，内含低温制冷基础研究与产品设计计算过程。研发产品可应用于液化天然气、石油化工、煤化工、空气液化与分离、制冷及低温工程等领域。
本书共分13章，其中，第1～5章、第9章主要涉及LNG过程控制开关类阀门研究及产业化内容，主要包括LNG蝶阀、LNG球阀、LNG闸阀、LNG截止阀、LNG止回阀5类低温阀门，主要应用于-162℃ LNG液化及储运领域，一般连接于LNG过程控制管道上，起开关低温流体的作用。由于各类阀门具有不同的结构特点，可适用于不同的LNG液化及储运系统工况条件。
第6章、第8章所列研发产品主要涉及LNG减压阀、LNG安全阀，主要连接于LNG真空容器或LNG管道上，LNG减压阀主要起减压作用，可根据不同降压指标，降低LNG系统或管道内压力。LNG安全阀主要应用于LNG液化及储运系统，主要起安全泄放作用。
第7章主要涉及LNG节流阀，主要应用于LNG液化单元开式LNG液化流程，可节流天然气，降低天然气温度，或应用于LNG液化单元闭式液化流程，根据节流温度要求节流混合制冷剂，可作为四级节流阀使用。LNG节流阀的主要用途是节流混合制冷剂并产生节流制冷效应，使天然气温度降低至-162℃并液化，起到节流制冷功效。
第10章主要涉及LNG针阀，可用于精确调节LNG流量，使LNG液化或管道流量达到精确调节及输运功能。
第11章主要涉及LNG呼吸阀，主要用于LNG系统压力平衡控制。
第12章主要涉及LNG温控阀，主要应用于LNG液化工艺流程，控制LNG液化系统或LNG输运系统温度。
第13章所列研发产品主要涉及LNG疏气阀，主要应用于LNG储运系统，可分离LNG气液两相流，将饱和或过热LNG流体中气液两相分离输运。
以上LNG系列阀门属LNG液化过程中技术难度较大的LNG过程控制装备系列化产品研发项目，主要应用于液化天然气（LNG）、低温制冷、煤化工、石油化工、空间制冷、装备制造等多个领域。LNG系列阀门基础研发及设计制造技术已趋于成熟，从装备设计制造层面来讲，已能够应用于LNG工艺系统，并推进LNG系列过程控制装备的国产化及产业化进程。
本书所含研发项目涉及多股流低温过程控制装备核心技术，研究项目曾备受中国石油天然气集团有限公司、中国海洋石油集团有限公司、中石油昆仑燃气有限公司、中国寰球工程公司、神华集团有限责任公司、中国华能集团有限公司等企业关注与支持，也曾得到国家及地方创新基金及其他研发经费大力支持，已经具备了一定的研究开发及产业化基础，属系列化低温过程控制装备产品开发过程，主要有12类低温装备产品，具有很好的产业化发展势头，有助于突破国际“大型LNG液化系统工艺及核心液化装备设计计算技术”，为系列化超低温过程装备国产化研究开发提供研究基础。
本书第1～6章由张周卫负责撰写并编辑整理，第7～9章由汪雅红负责撰写并编辑整理，第10～13章由田源、张梓洲负责撰写并编辑整理，全书最后由张周卫统稿，田源、张梓洲、殷丽、王军强参与修改校正。
本书受国家自然科学基金（编号：51666008），甘肃省财政厅基本科研业务费（编号：214137），甘肃省自然科学基金（编号：1208RJZA234）等支持。 按照目前项目开发现状，文中重点列出12类LNG阀门设计计算技术，与相关行业内的研究人员共同分享，以期全力推进液化天然气领域内过程控制装备的创新研究及产业化进程。由于水平、时间有限及其他原因，书中内容难免存在疏漏之处，希望同行及广大读者批评指正。
兰州交通大学
甘肃中远能源动力工程有限公司
江苏神通阀门股份有限公司
张周卫 汪雅红 田源 张梓洲
2017年11月