目前LNG(液化天然氣)接收站用低溫閥門大部分從國外進(jìn)口，進(jìn)口數(shù)量最多的是低溫球閥。主要對(duì)進(jìn)口低溫球閥的3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和分析，結(jié)合國產(chǎn)化低溫球閥主要是采用泛塞(Lip seals)密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，基于失效模式與影響分析方法(FMEA)的分析以及進(jìn)口閥門使用情況，對(duì)該種結(jié)構(gòu)低溫球閥的內(nèi)漏和外漏進(jìn)行了分析并提出改進(jìn)措施。同時(shí)也對(duì)低溫球閥選用一端單向密封、一端雙向密封閥座(DIB-2)結(jié)構(gòu)以及進(jìn)行中腔泄放功能試驗(yàn)的合理性和可行性進(jìn)行了探討，供相關(guān)設(shè)計(jì)單位、閥門制造商以及用戶在國產(chǎn)化研制中進(jìn)行參考和借鑒。
目前國內(nèi)在建和規(guī)劃共30多座LNG(液化天然氣)接收站，一座LNG接收站需要配套各種工藝低溫閥門大約3500多臺(tái)。因國產(chǎn)低溫閥門尚無成規(guī)模應(yīng)用，其中2500多臺(tái)需要進(jìn)口，進(jìn)口的閥門以球閥和蝶閥為主。為降低成本和提高國產(chǎn)化水平，低溫閥門國產(chǎn)化勢(shì)在必行。
1、進(jìn)口低溫球閥結(jié)構(gòu)分析
LNG接收站進(jìn)口的低溫球閥多采用上裝式固定球結(jié)構(gòu)，主要分為偏心半球閥結(jié)構(gòu)和整球閥結(jié)構(gòu)。整球閥結(jié)構(gòu)按閥座和閥體之間的密封特點(diǎn)又分為泛塞密封結(jié)構(gòu)和波紋管密封結(jié)構(gòu)。
1.1 偏心半球閥
國外某公司上裝式偏心半球閥結(jié)構(gòu)見圖1。該結(jié)構(gòu)又稱之為C型球閥，由于采用雙偏心結(jié)構(gòu)，具有以下特點(diǎn)：
①閥門在關(guān)閉過程中球體是漸進(jìn)式接觸密封圈，極大地降低了球體和密封圈之間的摩擦力矩，操作扭矩更低；
②降低了密封圈的磨損，球閥的使用壽命較長，尤其適用于頻繁操作場合；
③由于半球閥沒有中腔，不存在中腔壓力積聚現(xiàn)象，消除了中腔積壓帶來的潛在壓力邊界失效風(fēng)險(xiǎn)，也消除了因泄壓端方向安裝錯(cuò)誤帶來的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。
該種球閥盡管可以實(shí)現(xiàn)雙向密封，但高壓力等級(jí)仍需要實(shí)踐驗(yàn)證。由于其結(jié)構(gòu)零部件較少，從閥門可靠性方面而言，比較適用于LNG管道。
圖1 上裝式偏心半球閥結(jié)構(gòu)
1.2 整球結(jié)構(gòu)球閥的泛塞密封
國外某公司上裝式整球結(jié)構(gòu)球閥的閥體和閥座之間采用的泛塞密封結(jié)構(gòu)見圖2。這種結(jié)構(gòu)要求與泛塞接觸的零件配合尺寸精度及表面光潔度極高，且對(duì)安裝要求也高，在裝配時(shí)稍有不慎就有可能導(dǎo)致泛塞密封失效。由于球閥采用上裝式結(jié)構(gòu)，在裝配球體過程中閥座需要做往復(fù)運(yùn)動(dòng)方可實(shí)現(xiàn)球體的安裝及密封圈和球體接觸。因此泛塞和閥座接觸部位必然受到一定的摩擦力，且泛塞和閥座是過盈配合結(jié)構(gòu)，在裝配過程中閥座做往復(fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)使泛塞受到一定程度的磨損，以及裝配時(shí)灰塵不慎夾在泛塞唇口和閥座之間，都會(huì)影響泛塞在低溫下的密封性能。
從圖2可以看出，低溫球閥右端為雙向泛塞結(jié)構(gòu)，左端為單向泛塞結(jié)構(gòu)，當(dāng)中腔積聚的壓力沒有達(dá)到LNG介質(zhì)將閥座推離球體的泄放壓力，而達(dá)到泛塞泄放壓力5MPa時(shí)(國外知名泛塞商的泛塞反向最大承受壓力為5MPa)，壓力就會(huì)從泛塞泄放掉。國外幾個(gè)知名的泛塞商均要求閥門中腔泄壓不能通過泛塞來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橐坏┓喝箟海蜔o法保證再次密封。因此存在密封不可靠的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
1
1為閥體；2為預(yù)緊螺紋座；3為泛塞；4為閥座；5為密封圈；6為球體；7為閥蓋；8為閥桿；9為填料；10為支架
圖2 整球結(jié)構(gòu)球閥泛塞密封結(jié)構(gòu)
1.3 整球結(jié)構(gòu)球閥的波紋管密封
韓國某公司的低溫上裝式球閥的閥體和閥座之間采用的金屬波紋管密封結(jié)構(gòu)見圖3。該結(jié)構(gòu)把閥體和閥座之間傳統(tǒng)的泛塞徑向密封結(jié)構(gòu)改為波紋管+纏繞墊的軸向端面密封結(jié)構(gòu)，極大消除了泛塞密封結(jié)構(gòu)的密封不確定性，但只能設(shè)計(jì)成兩端單向密封閥座(DBB)結(jié)構(gòu)。波紋管主要承受外壓，但在閥門開啟過程中，介質(zhì)也會(huì)進(jìn)入波紋管，因此存在波紋管承受內(nèi)壓過大而失效的潛在風(fēng)險(xiǎn)。另外，波紋管密封結(jié)構(gòu)目前只能做到NPS6 CL1500，還不能完全覆蓋LNG用球閥的所有規(guī)格，同時(shí)其制造成本較同規(guī)格泛塞密封結(jié)構(gòu)要高。
1為閥體；2為螺紋導(dǎo)向套；3為波紋管；4為閥座；5為密封圈；6為球體；7為彈簧座；8為彈簧；9，10，14，15為墊片；11為閥桿；12為填料組；13為泄壓閥
圖3 波紋管密封結(jié)構(gòu)
2、泛塞密封結(jié)構(gòu)國產(chǎn)化設(shè)計(jì)
國內(nèi)LNG接收站的低溫上裝式固定球球閥均為泛塞式密封結(jié)構(gòu)，國產(chǎn)化低溫球閥的結(jié)構(gòu)也以泛塞密封為主，故對(duì)該結(jié)構(gòu)的低溫球閥進(jìn)行重點(diǎn)分析。據(jù)LNG接收站運(yùn)行人員反映，該結(jié)構(gòu)的低溫球閥普遍存在內(nèi)漏現(xiàn)象，個(gè)別接收站高壓泵出口的低溫球閥還存在外漏現(xiàn)象。
2.1 內(nèi)漏原因分析及應(yīng)對(duì)措施
通過對(duì)上裝式固定球球閥泛塞密封結(jié)構(gòu)的密封機(jī)理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其潛在的3個(gè)內(nèi)漏部位(見圖4)：①密封圈與球體密封副間；②密封圈與閥座配合部位；③泛塞與閥體及閥座配合部位。為消除或降低潛在泄漏部位的內(nèi)漏，采用潛在的失效模式與影響分析方法(FMEA)，使用介質(zhì)及閥門材料為已知條件，從力、結(jié)構(gòu)、工藝3個(gè)維度進(jìn)行分析。
圖4 3個(gè)潛在內(nèi)漏部位
內(nèi)漏產(chǎn)生原因及應(yīng)對(duì)措施
◆上裝式固定球球閥潛在內(nèi)漏部位1：密封圈與球體密封副間
內(nèi)漏產(chǎn)生原因：①低溫時(shí)彈簧剛度下降，密封圈預(yù)緊比壓不足；②聚三氟氯乙烯PCTFE面壓過高，密封圈發(fā)生流變；③球體圓度差、表面光潔度不夠；④密封圈發(fā)生傾斜，不能和球體完全粘合。
應(yīng)對(duì)措施：①對(duì)彈簧剛度進(jìn)行低溫補(bǔ)償計(jì)算及修正；②控制PCTFE面壓在28-30MPa，且不超過30MPa；③提高球體圓度及表面光潔度精度；④采用撐開閥座裝配工藝，使密封圈和球體完全貼合。
◆上裝式固定球球閥潛在內(nèi)漏部位2：密封圈與閥座配合部位
內(nèi)漏產(chǎn)生原因：①溫度變化導(dǎo)致密封圏尺寸不穩(wěn)定；②密封圈和閥座低溫時(shí)收縮不一致，配合部位形成間隙。
應(yīng)對(duì)措施：①在恒溫室加工密封圈，保證尺寸穩(wěn)定；②密封圈與閥座采用過盈配合和冷裝配工藝。
◆上裝式固定球球閥潛在內(nèi)漏部位3：泛塞與閥體及閥座配合部位
應(yīng)對(duì)措施：①消除泛塞空行程，提高泛塞穩(wěn)定性；②提高零件和泛塞配合表面尺寸精度及表面光潔度精度；③彈簧座和閥座之間安裝保護(hù)套，提立泛塞密封可等性；④采用撐開閥座裝配工藝，消除泛塞非均勻磨損潛在風(fēng)險(xiǎn)
某接收站高壓泵出口NPS12 Class1500球閥的閥蓋在啟泵后閥門打開時(shí)存在外漏情況，但幾分鐘后外漏又自行消失。由于啟泵時(shí)閥門為全關(guān)位置，閥體的閥前溫度已經(jīng)降至-162℃，當(dāng)開閥后整個(gè)閥體和閥蓋開始冷縮，而殼體緊固螺栓尚未完全冷卻，導(dǎo)致螺栓施加給八角墊的預(yù)緊力不足，故發(fā)生閥蓋冒白煙現(xiàn)象。運(yùn)行幾分鐘后，螺栓溫度降至-162℃，預(yù)緊力升高，白煙即消除。究其原因主要是僅有一道八角墊端面密封所致。如果法蘭接頭設(shè)計(jì)成圖5的泛塞徑向密封+RJ型環(huán)形八角墊端面密封的雙重密封結(jié)構(gòu)，由于徑向密封泛塞與殼體連接螺栓的預(yù)緊力無關(guān)，所以啟泵后打開閥門時(shí)泛塞密封起作用，即可消除或降低閥蓋外漏風(fēng)險(xiǎn)。
有部分LNG管道低溫球閥閥蓋頸部呈圓柱形結(jié)冰，經(jīng)分析這是填料泄漏所致。
2.2 外漏原因分析及應(yīng)對(duì)措施
對(duì)于低溫上裝式球閥，潛在的外漏部位有2處：①閥體和閥蓋之間的靜密封；②閥桿處填料的動(dòng)密封。為消除或降低潛在外漏部位的泄漏，運(yùn)用FMEA同樣從力、結(jié)構(gòu)、工藝3個(gè)維度進(jìn)行分析。外漏產(chǎn)生原因及應(yīng)對(duì)措施見表2。
圖5 改進(jìn)后的法蘭接頭密封結(jié)構(gòu)
外漏產(chǎn)生原因及應(yīng)對(duì)措施
◆上裝式固定球球閥潛在外漏部位1：閥體和閥蓋之間的靜密封
內(nèi)漏產(chǎn)生原因：①低溫時(shí)法蘭接頭緊固力矩降低；②單一RJ型環(huán)形八角墊密封失效；③緊固螺栓無防松措施。
應(yīng)對(duì)措施：①對(duì)緊固力矩進(jìn)行低溫補(bǔ)償計(jì)算，增加裝配溫差補(bǔ)償力矩；②采用泛塞徑向密封+RJ型環(huán)形八角墊端面密封的雙重密封結(jié)構(gòu)；③增加碟形雙面滾花防松墊圈。
◆上裝式固定球球閥潛在外漏部位2：閥桿處填料的動(dòng)密封
內(nèi)漏產(chǎn)生原因：①單一填料密封失效：②長期使用填料預(yù)緊力下降。
應(yīng)對(duì)措施：①采用泛塞+柔性石墨+O型圈的三重填料密封結(jié)構(gòu)；②采用活載荷填料系統(tǒng)。
盡管泛塞密封結(jié)構(gòu)的上裝式固定球球閥在LNG管道中使用量較大，但影響泛塞密封性能的不確定因素很多，尤其是泛塞的線密封結(jié)構(gòu)決定了其密封可靠性較低。
3、國產(chǎn)化相關(guān)技術(shù)問題探討
3.1 低溫處理
低溫處理的意義是改善材料的力學(xué)性能、降低殘余應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性及耐腐蝕性，即將閥門關(guān)鍵零部件降至一定的低溫溫度并進(jìn)行保冷，促進(jìn)不銹鋼組織中不穩(wěn)定的奧氏體提前轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。由于該過程具有不可逆性，可有效保證材料的組織穩(wěn)定性。
低溫處理的目的主要有2個(gè)：①金相組織提前預(yù)相變；②消除殘余應(yīng)力。
日本在閥門低溫處理方面研究起步較早，并有一些研究成果。日本東京、大阪及東邦燃?xì)庵晔綍?huì)社的《T.T.O低溫升指針》規(guī)定，由于奧氏體不銹鋼鑄件一旦成分偏析，容易發(fā)生一部分的Ms點(diǎn)(馬氏體轉(zhuǎn)變點(diǎn))比使用溫度高的情況，引起鑄件體積變化而產(chǎn)生變形，由于Ms點(diǎn)隨Ni含量變化，因此為使閥門超低溫工作時(shí)組織穩(wěn)定，鑄件成品化學(xué)成分分析時(shí)Ni含量應(yīng)不低于9.5%。同時(shí)該指南也規(guī)定低溫處理宜重復(fù)多次。
但國內(nèi)LNG接收站進(jìn)口的部分球閥并未進(jìn)行低溫處理，如西班牙Poyam的球閥鑄件均未進(jìn)行低溫處理，其解釋是采用了專有免低溫處理的材料，對(duì)于其材料的真實(shí)性能只能通過閥門實(shí)際應(yīng)用的效果來進(jìn)行驗(yàn)證。但從該公司的交貨資料裝配圖(圖2)可以看出，球閥的密封圈是安裝在金屬閥座上，而金屬閥座和閥體是間隙配合，其密封是通過和金屬閥座過盈配合的泛塞來實(shí)現(xiàn)的，而泛塞是線性密封且和閥體是過盈配合，并且泛塞中設(shè)有預(yù)緊力為5MPa的彈簧。所以鑄件的變形對(duì)閥門密封副之間的密封是沒有影響的，這有可能是他們不進(jìn)行閥體鑄件低溫處理的直接原因。
3.2 自卸壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能試驗(yàn)
國產(chǎn)化技術(shù)規(guī)格書中要求低溫球閥設(shè)計(jì)成一端單向密封，一端雙向密封閥座(DIB-2)結(jié)構(gòu)，即一端閥座具有自卸壓功能，當(dāng)中腔壓力超過一定值時(shí)通過該閥座實(shí)現(xiàn)卸壓功能，確保壓力邊界的安全。而進(jìn)口的某公司閥門一端為單向密封閥座(SPE)，安裝的泛塞為單向密封結(jié)構(gòu)；另一端為雙向密封型閥座(DPE)，安裝的泛塞為雙向密封結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上看該閥門的中腔泄壓是通過單向泛塞來實(shí)現(xiàn)的，但其存在潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)榉喝坏┬箟壕蜁?huì)爆開，破碎的彈簧顆粒會(huì)劃傷球閥密封面，進(jìn)入管道會(huì)對(duì)制程設(shè)備產(chǎn)生安全隱患。而另一韓國某公司的低溫球閥均為DBB結(jié)構(gòu)。
管線球閥可以設(shè)計(jì)成DIB結(jié)構(gòu)，是基于閥座和閥體之間使用O型橡膠圈或者V型彈簧圈加載的泛塞密封，而用于低溫閥門的泛塞，為保證其低溫下的密封性能，內(nèi)部普遍采用片式螺旋彈簧圈加載，為密封唇口提供密封所需的預(yù)緊力。低溫泛塞密封結(jié)構(gòu)的球閥很難通過面積差來實(shí)現(xiàn)中腔泄壓，因?yàn)橥苿?dòng)閥座的力除了要克服可以量化的介質(zhì)作用力及彈簧組初始密封預(yù)緊力外，還要克服泛塞和金屬閥座之間的靜摩擦力，而泛塞和金屬閥座是過盈配合且泛塞里設(shè)有預(yù)緊比壓為5MPa的彈簧，無法量化該值。所以通過面積差實(shí)現(xiàn)SPE閥座泄壓具有不確定性。
此外進(jìn)行功能試驗(yàn)也具有不確定性，因?yàn)樵囼?yàn)介質(zhì)為低溫氦氣，如果SPE端只安裝一個(gè)單向泛塞，當(dāng)中腔進(jìn)行泄放功能試驗(yàn)時(shí)，如果試驗(yàn)壓力大于泛塞里加載的彈簧預(yù)緊力(5MPa)，泛塞存在爆開的風(fēng)險(xiǎn)。實(shí)踐證明中腔壓力泄放試驗(yàn)壓力達(dá)到4.8MPa時(shí)泛塞就會(huì)爆開。因此在國產(chǎn)化研制時(shí)，有必要探討LNG低溫球閥選擇DIB-2結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。
針對(duì)國內(nèi)LNG接收站用低溫球閥出現(xiàn)的內(nèi)、外漏現(xiàn)象，對(duì)進(jìn)口低溫球閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、低溫處理以及功能試驗(yàn)等方面進(jìn)行了分析和研究。低溫球閥國產(chǎn)化首先應(yīng)確定合理的球閥整體結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)，尤其是密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化能解決目前閥門使用中的內(nèi)漏問題。針對(duì)泵出口等存在溫度梯度變化的球閥使用部位，應(yīng)改進(jìn)閥蓋的密封結(jié)構(gòu)，消除啟泵瞬間的介質(zhì)外露結(jié)冰現(xiàn)象。只有通過真實(shí)試驗(yàn)證明材料不經(jīng)低溫處理能達(dá)到相應(yīng)的低溫行性能，才可免做低溫處理。總之，LNG低溫球閥的國產(chǎn)化研制是一項(xiàng)重大的工程，需要多單位、多專業(yè)聯(lián)合協(xié)作，從標(biāo)準(zhǔn)制定、閥門設(shè)計(jì)、制造加工、試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)和驗(yàn)證以及應(yīng)用反饋等多方面通力合作。
作者：王金富(中石化廣州工程有限公司)
