低溫球閥在LNG接收站應用的技術探討

目前LNG(液化天然氣)接收站用低溫閥門大部分是進口，進口數量最多的是低溫球閥。主要對進口低溫球閥的3種結構進行了介紹和分析，結合國產化低溫球閥主要是采用泛塞(Lip seals)密封結構的特點，基于失效模式與影響分析方法(FMEA)的分析以及進口閥門使用情況，對該種結構低溫球閥的內漏和外漏進行了分析并提出改進措施。同時也對低溫球閥選用一端單向密封、一端雙向密封閥座(DIB-2)結構以及進行中腔泄放功能試驗的合理性和可行性進行了探討，供相關設計單位、閥門制造商以及用戶在國產化研制中進行參考和借鑒。 

目前國內在建和規劃共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。因國產低溫閥門尚無成規模應用，其中2500多臺需要進口，進口的閥門以球閥和蝶閥為主。

1、進口低溫球閥結構分析

LNG接收站進口的低溫球閥多采用上裝式固定球結構，主要分為偏心半球閥結構和整球閥結構。整球閥結構按閥座和閥體之間的密封特點又分為泛塞密封結構和波紋管密封結構。

1.1 偏心半球閥

上裝式偏心半球閥結構見圖1。該結構又稱之為C型球閥，由于采用雙偏心結構，具有以下特點：

①閥門在關閉過程中球體是漸進式接觸密封圈，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象，消除了中腔積壓帶來的潛在壓力邊界失效風險，也消除了因泄壓端方向安裝錯誤帶來的潛在安全風險。

該種球閥盡管可以實現雙向密封，但高壓力等級仍需要實踐驗證。由于其結構零部件較少，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構

1.2 整球結構球閥的泛塞密封

上裝式整球結構球閥的閥體和閥座之間采用的泛塞密封結構見圖2。這種結構要求與泛塞接觸的零件配合尺寸精度及表面光潔度極高，且對安裝要求也高，在裝配時稍有不慎就有可能導致泛塞密封失效。由于球閥采用上裝式結構，在裝配球體過程中閥座需要做往復運動方可實現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構，在裝配過程中閥座做往復運動會使泛塞受到一定程度的磨損，以及裝配時灰塵不慎夾在泛塞唇口和閥座之間，都會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構，左端為單向泛塞結構，當中腔積聚的壓力沒有達到LNG介質將閥座推離球體的泄放壓力，而達到泛塞泄放壓力5MPa時(國外知名泛塞商的泛塞反向最大承受壓力為5MPa)，壓力就會從泛塞泄放掉。幾個知名的泛塞商均要求閥門中腔泄壓不能通過泛塞來實現，因為一旦泛塞泄壓，就無法保證再次密封。因此存在密封不可靠的潛在風險。

1為閥體；2為預緊螺紋座；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 整球結構球閥泛塞密封結構

1.3 整球結構球閥的波紋管密封

其它公司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構見圖3。該結構把閥體和閥座之間傳統的泛塞徑向密封結構改為波紋管+纏繞墊的軸向端面密封結構，極大消除了泛塞密封結構的密封不確定性，但只能設計成兩端單向密封閥座(DBB)結構。波紋管主要承受外壓，但在閥門開啟過程中，介質也會進入波紋管，因此存在波紋管承受內壓過大而失效的潛在風險。另外，波紋管密封結構目前只能做到NPS6 CL1500，還不能完全覆蓋LNG用球閥的所有規格，同時其制造成本較同規格泛塞密封結構要高。

1為閥體；2為螺紋導向套；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 波紋管密封結構

2、泛塞密封結構國產化設計

國內LNG接收站的低溫上裝式固定球球閥均為泛塞式密封結構，國產化低溫球閥的結構也以泛塞密封為主，故對該結構的低溫球閥進行重點分析。據LNG接收站運行人員反映，該結構的低溫球閥普遍存在內漏現象，個別接收站高壓泵出口的低溫球閥還存在外漏現象。

2.1 內漏原因分析及應對措施

通過對上裝式固定球球閥泛塞密封結構的密封機理進行分析，發現其潛在的3個內漏部位(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漏，采用潛在的失效模式與影響分析方法(FMEA)，使用介質及閥門材料為已知條件，從力、結構、工藝3個維度進行分析。

圖4 3個潛在內漏部位

內漏產生原因及應對措施

◆上裝式固定球球閥潛在內漏部位1：密封圈與球體密封副間

內漏產生原因：①低溫時彈簧剛度下降，密封圈預緊比壓不足；②聚三氟氯乙烯PCTFE面壓過高，密封圈發生流變；③球體圓度差、表面光潔度不夠；④密封圈發生傾斜，不能和球體完全粘合。

應對措施：①對彈簧剛度進行低溫補償計算及修正；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漏部位2：密封圈與閥座配合部位

內漏產生原因：①溫度變化導致密封圏尺寸不穩定；②密封圈和閥座低溫時收縮不一致，配合部位形成間隙。

應對措施：①在恒溫室加工密封圈，保證尺寸穩定；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漏部位3：泛塞與閥體及閥座配合部位

應對措施：①消除泛塞空行程，提高泛塞穩定性；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險

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存在外漏情況，但幾分鐘后外漏又自行消失。由于啟泵時閥門為全關位置，閥體的閥前溫度已經降至-162℃，當開閥后整個閥體和閥蓋開始冷縮，而殼體緊固螺栓尚未完全冷卻，導致螺栓施加給八角墊的預緊力不足，故發生閥蓋冒白煙現象。運行幾分鐘后，螺栓溫度降至-162℃，預緊力升高，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。如果法蘭接頭設計成圖5的泛塞徑向密封+RJ型環形八角墊端面密封的雙重密封結構，由于徑向密封泛塞與殼體連接螺栓的預緊力無關，所以啟泵后打開閥門時泛塞密封起作用，即可消除或降低閥蓋外漏風險。  

有部分LNG管道低溫球閥閥蓋頸部呈圓柱形結冰，經分析這是填料泄漏所致。

2.2 外漏原因分析及應對措施

對于低溫上裝式球閥，潛在的外漏部位有2處：①閥體和閥蓋之間的靜密封；②閥桿處填料的動密封。為消除或降低潛在外漏部位的泄漏，運用FMEA同樣從力、結構、工藝3個維度進行分析。外漏產生原因及應對措施見表2。

圖5 改進后的法蘭接頭密封結構

外漏產生原因及應對措施

◆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

內漏產生原因：①低溫時法蘭接頭緊固力矩降低；②單一RJ型環形八角墊密封失效；③緊固螺栓無防松措施。

應對措施：①對緊固力矩進行低溫補償計算，增加裝配溫差補償力矩；②采用泛塞徑向密封+RJ型環形八角墊端面密封的雙重密封結構；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：閥桿處填料的動密封

內漏產生原因：①單一填料密封失效：②長期使用填料預緊力下降。

應對措施：①采用泛塞+柔性石墨+O型圈的三重填料密封結構；②采用活載荷填料系統。

盡管泛塞密封結構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構決定了其密封可靠性較低。

3、國產化相關技術問題探討

3.1 低溫處理

低溫處理的意義是改善材料的力學性能、降低殘余應力、提高尺寸穩定性及耐腐蝕性，即將閥門關鍵零部件降至一定的低溫溫度并進行保冷，促進不銹鋼組織中不穩定的奧氏體提前轉變為馬氏體。由于該過程具有不可逆性，可有效保證材料的組織穩定性。 

低溫處理的目的主要有2個：①金相組織提前預相變；②消除殘余應力。

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、大阪及東邦燃氣株式會社的《T.T.O低溫升指針》規定，由于奧氏體不銹鋼鑄件一旦成分偏析，容易發生一部分的Ms點(馬氏體轉變點)比使用溫度高的情況，引起鑄件體積變化而產生變形，由于Ms點隨Ni含量變化，因此為使閥門超低溫工作時組織穩定，鑄件成品化學成分分析時Ni含量應不低于9.5%。同時該指南也規定低溫處理宜重復多次。

但國內LNG接收站進口的部分球閥并未進行低溫處理，如西班牙Poyam的球閥鑄件均未進行低溫處理，其解釋是采用了專有免低溫處理的材料，對于其材料的真實性能只能通過閥門實際應用的效果來進行驗證。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現的，而泛塞是線性密封且和閥體是過盈配合，并且泛塞中設有預緊力為5MPa的彈簧。所以鑄件的變形對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行閥體鑄件低溫處理的直接原因。

3.2 自卸壓結構設計與功能試驗

國產化技術規格書中要求低溫球閥設計成一端單向密封，一端雙向密封閥座(DIB-2)結構，即一端閥座具有自卸壓功能，當中腔壓力超過一定值時通過該閥座實現卸壓功能，確保壓力邊界的安全。而進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構；另一端為雙向密封型閥座(DPE)，安裝的泛塞為雙向密封結構。從結構上看該閥門的中腔泄壓是通過單向泛塞來實現的，但其存在潛在的安全風險。因為泛塞一旦泄壓就會爆開，破碎的彈簧顆粒會劃傷球閥密封面，進入管道會對制程設備產生安全隱患。而另一韓國某公司的低溫球閥均為DBB結構。

管線球閥可以設計成DIB結構，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緊力。低溫泛塞密封結構的球閥很難通過面積差來實現中腔泄壓，因為推動閥座的力除了要克服可以量化的介質作用力及彈簧組初始密封預緊力外，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有預緊比壓為5MPa的彈簧，無法量化該值。所以通過面積差實現SPE閥座泄壓具有不確定性。

此外進行功能試驗也具有不確定性，因為試驗介質為低溫氦氣，如果SPE端只安裝一個單向泛塞，當中腔進行泄放功能試驗時，如果試驗壓力大于泛塞里加載的彈簧預緊力(5MPa)，泛塞存在爆開的風險。實踐證明中腔壓力泄放試驗壓力達到4.8MPa時泛塞就會爆開。因此在國產化研制時，有必要探討LNG低溫球閥選擇DIB-2結構的合理性和可行性。

針對國內LNG接收站用低溫球閥出現的內、外漏現象，對進口低溫球閥的結構特點、低溫處理以及功能試驗等方面進行了分析和研究。低溫球閥國產化首先應確定合理的球閥整體結構和密封結構，尤其是密封結構的優化能解決目前閥門使用中的內漏問題。針對泵出口等存在溫度梯度變化的球閥使用部位，應改進閥蓋的密封結構，消除啟泵瞬間的介質外露結冰現象。只有通過真實試驗證明材料不經低溫處理能達到相應的低溫行性能，才可免做低溫處理?？傊?，LNG低溫球閥的國產化研制還是一項重大的工程，需要多單位、多專業聯合協作，從標準制定、閥門設計、制造加工、試驗裝置設計和驗證以及應用反饋等多方面通力合作。