LNG接收站用超低温顶装式蝶阀国产化技术问题探讨.pdf

作者简介:陈锦标()男福建泉州人工程师从事阀门制造和生产及供应链管理工作文章编号:()接收站用超低温顶装式蝶阀国产化技术问题探讨陈锦标张清双王楠楠游云峰梁常香曹铖淏董炜杰孔令涛李 肃(.北京市阀门总厂股份有限公司北京.中鸿阀门股份有限公司河北 邯郸.中国寰球工程有限公司北京分公司北京.浙江永园阀门有限公司浙江 永康)摘要超低温顶装式蝶阀作为 接收站栈桥卸料管线以及 储罐进液管线的切换装置其性能和功能的可靠性是保证 卸船系统和储罐安全运行的重要因素因此目前 接收站用超低温顶装式蝶阀很大程度上依赖进口为降低成本和提高国产化水平超低温顶装式蝶阀国产化势在必行 通过对国内各 接收站进口国外的液相管线的超低温顶装式蝶阀使用状况和结构进行分析结合应用状况提出国产化超低温顶装式蝶阀样机改进方案并按照国产化试验大纲对超低温顶装式蝶阀样机进行性能试验和疲劳寿命试验各项性能试验指标达到国产化试验大纲要求 同时也对各种结构的超低温顶装式蝶阀的在线可维修性进行了分析和探讨供设计单位、终端用户及阀门制造商参考关键词 接收站超低温顶装式蝶阀蝶板卡涩蝶板轴向限位阀轴限位在线可维修性中图分类号:文献标志码:(.().):.:年第 期阀 门 概述天然气作为清洁、高效的绿色能源已成为中国能源领域打响绿水青山保卫战不可或缺的重要能源保障 而作为可以接卸液态天然气并增压、气化的 接收站是保障国家能源战略安全的重要组成部分 据不完全统计截至 年 月我国已建成 接收站 座接收能力 万吨/年 为了实现“双碳”目标“十四五”期间国内将建成(含扩建)接收站 座增加 接收能力约 万吨/年 预计“十四五”末期 总接收能力将达到 亿吨/年一座 接收站需要配套 多台各种工艺低温阀门其中 多台需要进口进口的阀门以超低温阀门为主采购金额较大 为了降低成本和缩短阀门供货周期等超低温阀门国产化势在必行为此设计院和协会及工程公司等单位组织进行了超低温阀门国产化研制工作 国内部分阀门制造商参与了 接收站关键阀门国产化的研制工作从 年 月 日大连 接收站关键设备国产化启动会开始历经 年多时间参与国产化超低温阀门研发企业完成了产品型式试验及温变循环疲劳寿命试验并通过鉴定但在研制过程中通过试验验证也发现存在一些技术问题对此类技术问题进行探讨以共同推进超低温阀门技术进步国产化低温工艺阀门主要有球阀、蝶阀和轴流式止回阀本文主要针对国内各接收站进口国外的超低温顶装式蝶阀的使用状况并结合其结构进行分析探讨各结构的在线可维修性同时结合各接收站对进口国外的阀门应用状况提出国产化超低温顶装式蝶阀样机改进方案并按照国产化样机试验大纲对超低温顶装式蝶阀样机进行性能试验和疲劳寿命试验各项性能试验指标达到国产化试验大纲要求 超低温顶装式蝶阀的 图在 接收站超低温顶装式蝶阀主要用于 储罐的进液管线上也用于 卸船系统的卸料管线和气相返回管线上因此其可靠性要求极高 卸船系统的卸料管线上的超低温顶装式蝶阀密封性能要求高当不进行 卸料时该阀作为隔离阀使用该阀到 储罐的管线内的温度保持在 卸船时和 液体 的温差内的低温温度以避免当 卸料时管线和 液体温差太大所产生的温度应力破坏卸料管线 由于该阀受交变温度和交变压力的影响所以其密封性能是该阀的重要考核指标之一另外由于该阀在卸船时开启进行卸料而不卸料时作为隔离阀关闭所以启闭灵活、启闭过程中无卡涩是该阀的另一个重要考核指标 储罐的进液管线的超低温顶装式蝶阀亦有同样的要求这些阀门的工艺流程如图 所示图 超低温顶装式蝶阀 图阀 门 年第 期 国外进口超低温顶装式蝶阀结构分析国内从南到北的各 接收站中进口国外的超低温顶装式蝶阀按顶装式结构归纳共有两种结构一种是正顶装式结构正顶装式结构的超低温蝶阀采用三偏心整板金属密封结构 另一种是侧顶装式结构也称为带检修仓结构 而带检修仓结构的超低温顶装式蝶阀按照蝶阀结构划分又可分为双偏心结构和三偏心结构 双偏心结构采用金属弹性密封结构而三偏心结构按照蝶板密封型式又分为多层次金属密封和整板金属密封 以下将分别对这些结构的超低温顶装式蝶阀在 接收站的使用状况进行分析 超低温正顶装式蝶阀国内某接收站进口意大利某公司超低温正顶装式蝶阀结构如图 所示该阀采用三偏心结构蝶板密封为整板金属密封阀轴和蝶阀采用双键连接蝶板下端带有限位轴承通过限位轴承限制蝶阀的轴向窜动 该接收站的超低温正顶装式蝶阀尺寸为 压力等级为 安装在罐顶的进液阀自接收站投产以来一直处于常开状态使用一段时间后阀门无法关闭出现严重卡涩问题 由于该阀为焊接连接结构尽管采用了顶装式结构但由于 储罐里有 液体不具备在线维修条件出于安全考虑也没有进行在线维修针对该阀在使用过程中出现的卡涩导致阀门无法关闭问题结合该阀的结构进行分析尽管该阀的蝶板下端带有限位轴承可以避免蝶板在重力作用下下沉和低温收缩带来的不利影响但该种结构的超低温蝶阀的蝶板密封圈轴线和本体阀座的轴线的同轴度至关重要一旦同轴度无法保证或者计算时对低温收缩考虑不周在蝶板重力作用下和低温冷缩状态下就可能导致开启的蝶板下沉而无法回座使超低温正顶装式蝶阀出现卡涩现象 超低温带检修仓蝶阀 双偏心结构某接收站进口德国某公司生产的超低温带检修仓蝶阀采用双偏心结构如图 所示蝶板设有轴向限位结构其在蝶板上、下两端设置有轴向限位轴承且底部阀杆未与底盖固定连接 阀杆尾端和阀杆头部沿轴向收缩方向均为自由端阀杆收缩时两端向限位轴承方向收缩消除因为阀杆自重和低温冷缩而导致蝶阀发生卡涩甚至无法启闭的现象 蝶板的密封圈材料采用铜合金且里边有螺旋圆柱弹簧圈加载密封圈为弹性密封结构所以该阀门为金属弹性密封 阀体 限位轴承 蝶板 阀杆 键 整板金属密封圈 垫片 阀盖 滴盘图 超低温正顶装式蝶阀结构从各接收站使用该结构的阀门情况看密封性较好唯一缺点就是弹性密封圈的造价高导致阀门整机成本也最高增加采购成本 因为采用铜合金所以该结构的超低温蝶阀并不适用于含硫工况的 液化厂 阀体 限位轴承 蝶板 阀杆 销 弹性密封圈 垫片 检修仓盖 垫片 阀盖 滴盘图 超低温带检修仓双偏心金属弹性密封蝶阀 三偏心结构()多层次金属密封结构某接收站进口英国某公司生产的超低温带检修仓蝶阀该阀采用三偏心结构设计阀轴和蝶板采用锥销连接阀体设置有检修仓(图)密封圈为多层次结构并设置于蝶板上多层次密封圈存在密封失效的风险当阀门全开时在介质冲刷下石墨夹层会被冲掉而失去密封作用冲掉的石墨对 罐内 年第 期阀 门潜液泵也存在安全隐患 此外多层次的金属片和石墨片压制过程中需要胶接胶水在 试验温度及 工作温度下也会失效因此多层次结构不适用于 工况 该公司超低温带检修仓蝶阀未设置轴向限位机构该阀的阀杆尾部与阀体间通过对开圆环限位在超低温工况下由于低温冷缩阀杆向尾端收缩加之阀杆和蝶板铰接成一体部件在阀杆和蝶板重力作用下其一体部件会下沉低温冷缩和重力复合作用导致蝶阀发生卡涩甚至无法启闭现象该阀的蝶板密封圈没有定位机构可更换阀座也没有定位结构三偏心的密封副是斜置的椭圆体没有定位无法保证密封副锥角完全吻合因此该结构的超低温蝶阀并不具备密封副的可更换性 因此尽管该阀设置了检修仓结构但是该阀的在线可维修性差从某接收站了解到该种结构的超低温蝶阀自安装以来一直存在内漏现象无法作为隔离阀使用 对开圆环 阀体 蝶板 阀杆 销 多层次金属密封圈 阀座 垫片 检修仓盖 垫片 阀盖 滴盘图 超低温带检修仓三偏心多层次金属密封蝶阀()整板金属密封结构某接收站进口加拿大某公司生产的超低温带检修仓蝶阀(图)该阀采用三偏心结构设计阀轴和蝶板采用锥销连接阀体设置有检修仓 蝶板密封圈采用整板式结构密封面上堆焊硬质合金 蝶板上下设置有限位轴承轴承内表面含有 材质且均进行镀镍处理蝶板采用轴向限位结构该阀的阀杆尾部与阀体间通过对开圆环限位和前述的多层次金属密封结构一样存在蝶阀发生卡涩甚至无法启闭的潜在风险该阀的蝶板密封圈没有定位机构可更换阀座也没有定位结构和前述的多层次金属密封结构一样其在线可维修性差 对开圆环 阀体 限位轴承 蝶板 阀杆 销 整板金属密封圈 阀座 垫片 检修仓盖 垫片 阀盖 滴盘图 超低温带检修仓三偏心整板金属密封蝶阀 超低温顶装式蝶阀可维修性探讨 超低温正顶装式蝶阀超低温正顶装式蝶阀的蝶板采用上装式结构当阀门需要进行维修时整个蝶板、阀杆以及蝶板上的密封圈都可以从阀体上部吊装出阀体内部即可进行阀门内件、阀杆、蝶板、密封圈、轴承的维修和更换 无论阀门口径大小都可以在阀门外部实现在线维修其可维修性非常高此外从图 可以看出超低温正顶装式蝶阀的连接只有一处即阀体和阀盖之间的连接因此该结构阀门潜在的外泄漏通道只有一处 超低温带检修仓蝶阀超低温带检修仓蝶阀采用的是常规三偏心蝶阀结构只是蝶板采用侧装方式将阀体的一端加长并在加长阀体侧再开检修口 当阀门需要维修和更换内件时需要从检修口内进行操作该种结构由于无法直接抽出蝶板等内件当需要维修或更换内件时需要操作人员探身或进入检修仓进行维修 对于 口径的阀门检修仓的尺寸很小在如此狭窄的空间内用手和工具来更换阀内件等同于盲操作再加上蝶板密封圈和阀座密封圈的螺栓设有防松措施以防止螺栓松落这种防松螺栓的拆卸在外面很难操作 对于 口径的阀门从检修仓上平面到阀座密封圈最下端的距离超过人体胳膊长度所以人手从检修仓口伸入阀体内后无法拆卸阀体底部密封圈的螺栓 对于 口径的阀门人员可以进入检修仓进行维修(图)但存在一定的安全风险 由阀 门 年第 期于介质易燃易爆为保证操作人员的人身安全需要进行氮气置换并且操作人员要佩戴氧气瓶维修需要具备一定的安全条件因此其可维修性不高此外从图 图 可以看出超低温带检修仓蝶阀的连接有两处一处是阀体和阀盖的连接一处是阀体检修仓口和检修仓盖之间的连接因此该结构阀门潜在的外泄漏通道有两处从逸散性角度对比超低温带检修仓蝶阀的结构要逊色于超低温正顶装式蝶阀的结构图 操作人员在线更换超低温带检修仓蝶阀的密封圈()双偏心结构双偏心结构的超低温带检修仓蝶阀由于采用双偏心结构其互换性高抛开前文所述的可维修性探讨结果带检修仓的双偏心结构的超低温蝶阀理论上具备可维修性()三偏心结构三偏心结构的超低温带检修仓蝶阀由于采用三偏心结构目前大多数厂家采用的工艺路线是阀体精车完密封面然后和装配了精车密封圈的蝶板进行配镗轴孔因此工艺上无法保证密封副的互换性并且密封圈以及阀座没有定位结构因此传统结构的三偏心蝶阀理论上就不具备密封副的互换性即理论上无法实现在线维修 国产化样机结构特点、验收指标及测试 国产化样机结构特点以液化天然气用关键阀门国产化研制 深冷蝶阀技术规范书、液化天然气用关键阀门国产化研制 深冷蝶阀试验大纲规定的技术要求和试验指标为依据开展顶装式超低温蝶阀的研制工作并结合各 接收站使用进口国外同类阀门的情况进行分析按照国产化规格书要求设计带检修仓的超低温蝶阀国产化样机 国产化样机结构特点如下:()在线更换密封副结构各接收站在用的带检修仓超低温蝶阀理论上不具备在线更换的功能为了实现理论和工程实践中密封副更换的可行性通过对三偏心蝶阀密封副结构的研究只有对阀座和蝶板密封圈分别设置定位销详细结构如图 中序号 和 零件所示才能实现三偏心蝶阀密封副装配后的一致性和重复性因此确定国产化样机对阀座和蝶板密封圈分别设置定位销确保装配后密封副的一致性和重复性提高密封副的吻合度进而提高阀门的密封性能阀座密封圈与阀体间设置有定位销通过定位阀座密封圈安装时仅需对准定位销安装即可位置完全固定 阀体上半圆销孔与阀座密封圈半圆销孔采用同一工装进行加工可保证尺寸的统一性不会出现偏差 蝶板密封圈和蝶板之间也设有定位销定位其安装原理和加工原理与阀座密封圈和阀体之间的定位销孔相同 密封副的定位从理论上解决了在线维修可行性问题()轴向限位结构各接收站在用的超低温蝶阀结构通常在阀杆尾端采用对开圆环对阀杆进行轴向限位 此种结构在超低温下由于阀杆收缩收缩方向全部集中至阀杆尾端加之超低温蝶阀要求阀门安装时阀杆处于垂直方向阀杆和蝶板采用销轴连接在阀杆重力作用下蝶板密封圈的回转中心不再和阀体上阀座密封圈的回转中心同心 蝶板密封圈的回转中心下移导致阀门在关闭时发生卡涩现象甚至会导致阀门无法实现关闭功能最终对 接收站安全运行存在一定的风险针对此种情况通过对蝶板轴向限位结构进行研究在阀体及蝶板上、下两端分别设有轴向限位孔限位轴承安装于阀体及蝶板两端限位孔之间对蝶板进行轴向限位具体结构如图 中序号 和 零件所示 在超低温工况下由于对蝶板进行了轴向限位阀杆尾端和阀杆头部沿轴向收缩方向均为自由端阀杆收缩时两端向限位轴承方向收缩消除因为阀杆自重和低温冷缩而导致蝶阀发生卡涩甚至无法启闭的现象到某 接 收 站 调 研 得 知 储 罐 上 一 台 进液蝶阀发生卡涩现象无法正常关闭该阀从国外某公司进口通过查阅制造商交货资料的竣工图纸发现只是在阀杆尾端通过对开圆环进行一端限位 在超低温工况下由于热胀冷缩及阀杆和蝶板组合部件重力原因阀杆带动和阀杆联接为一体的蝶板向阀杆尾端收缩蝶板密封圈的回转中心不再和阀体上阀座密封圈的回转中心同心蝶板密封圈的回转中心下移最终导致阀门发生卡涩 年第 期阀 门现象无法实现关闭功能轴向限位结构不仅适用于超低温工况对于高温工况同样适用 根据大量的试验结果用于超低温及高温的蝶阀传统的阀杆限位结构无法满足工况使用要求只有采取蝶板轴向限位结构蝶阀才能满足超低温或高温工况使用要求才能保证阀门正常启闭()下端盖导静电结构各接收站进口国外的超低温顶装式蝶阀没有导静电结构由于介质因素阀门设置导静电结构很有必要因此国产化样机设有图 中序号 零件所示的导静电弹簧以保证阀体、蝶板、阀杆之间的静电传导连续性 下端盖采用螺栓与阀体连接下端盖与阀杆之间设有导静电弹簧在阀门启闭过程中因为阀杆和填料摩擦产生的静电被填料绝缘而积聚在阀杆上经导静电弹簧导向下端盖进而经现场导静电装置导入大地消除静电安全隐患 导静电弹簧 阀体 下限位轴承 蝶板 阀杆 销 上限位轴承 密封圈定位销 整板金属密封圈 阀座 阀座定位销 检修仓盖垫片 阀盖垫片 检修仓盖 阀盖 滴盘 底盖图 密封副分别带定位销的超低温带检修仓三偏心整板金属密封蝶阀()检修仓盖与阀体连接结构各接收站进口国外的带检修仓蝶阀的检修口和检修仓盖的连接法兰为平面法兰没有定位止口垫片和介质接触 国产化样机的阀体椭圆形检修孔处加工出了椭圆形密封凹槽如图 中序号 零件所示在检修仓盖上加工出了椭圆形配合榫台如图 中序号 零件所示将密封垫片置于其中使密封垫片处于一个封闭的槽内避免了常规结构中密封垫片直接暴露在低温介质中 密封垫片暴露在介质中容易受到低温介质的冲刷造成此处密封结构失效 改进的结构避免密封垫片因介质冲刷而使垫片的石墨颗粒对低温潜液泵产生安全隐患国产化样机和进口国外样机结构对比如表 所示 国产化样机验收指标本次 国产化深冷蝶阀鉴定试验大纲规定低温漏率/该验收指标系壳牌 /金属密封深冷蝶阀的验收指标 考虑到检修仓的深冷蝶阀广泛用于 接收站栈桥低温管道即安装于 卸料臂通向 储罐的低温管道上用作 船卸料时接通及无船卸料时截断该管道的启闭装置因此该位号的阀门密封性能异常重要 因为 作为烃类液相介质其分子直径相对较小尤其是现有 接收站为了缩短卸船时间管道口径已达 如果按照壳牌金属密封深冷蝶阀/的验收指标对阀门进行检测允漏率太大可能存在潜在的风险 所以国产化样机按壳牌 /非金属密封深冷蝶阀的验收指标进行验收即低温泄漏率/因为焊接工艺的改进以及机床装备制造业的技术进步金属密封深冷蝶阀实现这一指标已不是难事 为了实现提高的验收指标国产化样机在工艺和材料方面进行了一些改进传统金属硬密封蝶阀密封副采用手工电弧堆焊硬质合金堆焊层表面因温度不均易造成翻泡、气孔、裂纹和剥落 国产化样机的密封面采用等离子喷焊机进行喷焊首先于等离子喷焊机的焊枪在阴极与前枪体间引燃非转移弧利用非转移弧产生导电性好的等离子射流引燃阴极与工件间的转移弧 转移弧建立后载粉气体向喷枪送粉粉末被焰流加热后落入工件上的熔池中形成合金喷焊层喷涂和重熔同时进行由于喷焊采用柔性弧因此粉末的速度不高且一般不会完全熔化 落入熔池的粉末进入转移弧的阳极区受高温而迅速熔化 电弧对熔池有较强的搅拌作用使重熔充分熔融金属中的气体和熔渣能充分排出 由于工件受热产生熔池涂层材料与基材金属有一定程度的互熔等离子喷涂后的硬化层均匀、致密 与传统手工电弧堆焊相比等离子喷焊层与基材的结合是互相融合后者是钎焊熔敷等离子喷焊层含有 的冲淡率而后者没有同种材料蝶阀的金属密封副表面从微观角度观察是凹凸不平的在介质力作用下真实接触面积会阀 门 年第 期产生较高的应力 在这种高的密封比压下材料微观凸起区域会发生塑性变形在显微区域凸起和凹陷发生原子间的吸附粘着即“冷焊”现象 当蝶阀开启时粘着的密封副会被撕裂导致密封面破坏影响阀门的密封性能 这种现象在超低温及超真空工况尤为显著 为了消除因“冷焊”引起密封破坏导致密封失效的潜在风险国产化样机采用等离子喷焊工艺在蝶板密封面喷焊 阀座密封圈密封面喷焊 可以消除因同种材质在超低温环境及压力作用共同引起的“冷焊”现象同时两者间形成一定硬度差抗擦伤性能强表 国产化样机和进口国外样机结构对比产品类型上装结构偏心结构密封结构轴向限位在线可维修性国产化样机带检修仓三偏心整板金属密封限位轴承理论上具备国外进口 正顶装式蝶阀正顶装式三偏心整板金属密封限位轴承完全具备国外进口 带检修仓 双偏心蝶阀带检修仓双偏心弹性金属密封限位轴承理论上具备国外进口 带检修仓 多层次三偏心蝶阀带检修仓三偏心多层次密封对开圆环不确定国外进口 带检修仓 整板三偏心蝶阀带检修仓三偏心整板金属密封对开圆环不确定 密封副精加工后预留 余量进行磨削加工采用三偏心蝶阀专用磨床对密封面进行磨削以提高其尺寸精度和表面粗糙度使其达到图纸设计要求密封面表面粗糙度达到 国产化样机测试()阀门扭矩测试在超低温工况下轴承与阀杆间、蝶板与阀杆间均有冷缩现象发生低温下扭矩相比于常温下扭矩会增加很多 利用 诊断设备测试动态扭矩 诊断系统是由美国 公司开发专门用于能动阀门测试试验数据系统由 分析软件和信号采集系统组成在阀杆上贴应变片后就可以采集阀杆扭矩 通过实际测试验证超低温工况下操作扭矩与常温下操作扭矩相比约提高到 倍因此需按照低温下扭矩进行驱动装置选型 驱动装置需选用转矩型并将额定扭矩调整至低温下扭矩提供一定低温扭矩补偿值可大幅提高阀门在低温下密封能力()阀门性能和机械循环寿命测试低温动作和寿命试验完全按照液化天然气用关键阀门国产化研制 深冷蝶阀试验大纲的要求进行 机械循环寿命测试流程为:低温密封试验低温扭矩测试低温逸散性试验常温高压(气体)密封试验常温扭矩测试常温逸散性试验继续下一个 次的低温动作试验 阀门经过 次的机械循环寿命测试低温的密封性能有所下降但低温密封试验结果满足国产化样机提高的指标低温漏率/结语针对国内各 接收站超低温顶装式蝶阀使用过程中出现内漏以及阀门卡涩无法关闭等现象对进口国外的各种结构的超低温顶装式蝶阀的结构进行了分析和研究超低温顶装式蝶阀国产化首先应确定合理的蝶阀整体结构和密封结构尤其是密封结构的优化、密封副材料和工艺的合理选择能解决目前超低温顶装式蝶阀使用中的内漏问题 针对阀门在线维修的可行性应进行充分的论证并将在线可拆卸性、可维修性纳入超低温顶装式蝶阀的验收指标这样才能真正实现在线维修功能 总之 超低温顶装式蝶阀的国产化研制是一项重大工程需要多单位、多专业联合协作从标准制定、阀门设计、制造加工、试验装置设计和验证以及应用反馈等多方面通力合作参 考 文 献 张清双尹玉杰明赐东.阀门手册:选型.北京:化学工业出版社.张汉林张清双胡远银.阀门手册:使用与维修.北京:化学工业出版社.张清双汤伟刘晓英.阀门制造工艺手册.北京:化学工业出版社.低温配管実務編纂委員会.低温配管実務.东京:日本工業出版././液化天然气用蝶阀./液化天然气阀门 技术条件.三社技術交流製造分野会議建設部会(東京瓦斯、東邦瓦斯、大阪瓦斯).低温弁指針平成 年 月改訂.艾默生自动化解决方案.浅谈低温深冷 工况中顶装式三偏心蝶阀的优劣.阀门用户().张清双茅岭峰.一种可在线更换密封副的三偏心金属密封蝶阀结构.中国.(收稿日期:)年第 期阀 门