淺談低溫深冷LNG工況中頂裝式三偏心蝶閥的優(yōu)劣

在LNG行業(yè)中，依據(jù)相關國際標準，如EN 1473或NFPA 59A，以及當?shù)胤ㄒ?guī)(尤其是LNG罐區(qū))，最終用戶已經(jīng)普通接受低溫深冷閥采用對焊BW連接方式與管道相連，用戶指定閥門采用法蘭連接的情況已經(jīng)很少。在閥體焊接到管道上成為普及的解決方案時，問題也隨之而來，閥門出現(xiàn)故障時如何檢修？操作人員如何更換關鍵部件？

 

 

三偏心閥采用三個偏心設計，因其金屬對金屬扭矩密封、90度旋轉全行程無摩擦的特性，實現(xiàn)真正意義上的雙向零泄漏性能，即按照現(xiàn)行的國際標準，在高壓水測試和低壓空氣測試下均無可見的泄漏。它的免維護內件設計(密封結構中沒有任何軟材料)，使其擁有超長壽命并幾乎不需要維護。

低溫三偏心閥是一種帶有延長閥蓋和彈性實心金屬密封圈的閥門，使用的密封圈是由高耐腐蝕材料Nitronic 50超級奧氏體不銹鋼制成，它在低溫下的強度比我們常規(guī)的奧氏體不銹鋼316要高出2~4倍，能夠在極低溫度下保證機械特性。

 

 

三偏心閥(TOV)在LNG行業(yè)應用上的設計本著降低逸散性外漏風險和全生命周期維修任務的便利性和安全性，從最初的雙法蘭，到對焊連接，再升級到正頂裝式對焊閥體設計，如下圖1。

圖1  正頂裝式對焊低溫深冷閥
 

正頂裝式閥的閥板采用上裝結構，需要將閥內件在外部進行維護以及易損件的更換時，整個閥板閥桿以及閥板上的密封圈都可以從閥體上部吊裝出閥體內部，也就是閥門無需從管道上切割下來，就可以進行閥內件、閥桿、閥板、密封圈、軸承的維修和更換。

 

側頂裝式閥如圖2，采用的是常規(guī)閥板側裝方式，加長一端閥體長度，在其上方開一監(jiān)測孔(通常俗稱檢修口)。當閥門與管道焊接連接后，閥內件無法從閥體上方抽出，維修和更新內件需要從監(jiān)測孔內進行操作。

圖2  側頂裝式對焊低溫深冷閥

這種設計的缺點在于：
 

?閥座通常為 316奧氏體不銹鋼，經(jīng)滲氮硬化，滲氮層的厚度通常只有20微米。而正頂裝閥門常規(guī)采用耐磨、較高彈性的Stellite堆焊層作為閥座，厚度達到2.5毫米，能夠有效消除機械故障、并長時間地維持閥門的低泄漏，達到全生命周期免維護。側頂裝式多采用多層石墨層壓密封圈，石墨材料在低溫下會變得易碎，而且，石墨在低溫下的收縮系數(shù)比不銹鋼小2~3倍，意味著低溫工況下，石墨會被擠出不銹鋼密封層。

 

?側頂裝閥門暴露在介質中的螺栓數(shù)量比整體閥座型增加了一倍多，這就需要更加特殊地采取有效防止螺栓松動的措施?？偟膩碚f，這種設計造成密封部件容易損壞，因此必須進行定期維護。

 

?由于閥內件無法抽出，維修人員探身或進入監(jiān)測孔進行維修，如圖3和4所示。不但直接暴露在安全風險中(因為介質是LNG有毒氣體會造成風險更大，人吸進純LNG，迅速失去知覺，幾分鐘就會造成死亡)，且大口徑閥門的內件更換很難完成(監(jiān)測孔小且不方便操作)。

 

試想一下當工作人員維修有害氣液體介質的高壓、大口徑側頂裝式閥門時，人員要佩戴防毒面具、要采取特殊安全措施和持續(xù)監(jiān)測供氧；如果出現(xiàn)意外加壓、閥門意外動作以及重型部件的拆除情況，這個工作難度不言而喻。

圖3  大口徑側頂裝式閥的維修示意圖

圖4  超大口徑側頂裝式閥的維修示意圖

 

如上所述，側頂裝閥旁邊的檢修口最大的功能是檢查觀測孔，英文稱為Inspection door。來源于LNG船的維修人員進行日常巡檢時，用一鏡子伸到孔中觀測閥門是否嚴密關斷。如果閥體和閥板密封圈有泄漏，就會存在間隙，在鏡子中就會有光線。

 

監(jiān)測孔的“在線檢修”是很難實現(xiàn)的：

?DN400口徑及以下的閥門，監(jiān)測孔的尺寸很小。例如：DN200的閥門，其矩形監(jiān)測孔的內徑長x寬約為200*100mm，如圖5所示。在如此狹窄的空間內用手和工具來更換閥內件，等同于盲操作。再加上閥板密封圈和閥座密封圈的螺栓往往有放松措施以防止螺栓松落，這種防松螺栓的盲操作使拆卸動作更是難上加難。

 

?大口徑閥門，如DN600-DN1050，從檢修口邊沿到閥座密封圈最下沿的距離(如圖6的長度A)約為800-1200mm。而通常人胳膊長度(如圖6的長度B)為600-700mm，意味著人手從監(jiān)測孔伸入閥體內后是無法夠到閥體根部的閥座密封圈螺栓從而進行拆卸。

 

?超大口徑閥門，如DN1100，如圖3/4所示，維修人員必須鉆到管道內進行維護，這可能對人員安全形成巨大風險。

 

?對于大口徑和超大口徑閥門，一個閥板密封圈壓蓋的重量往往也不是一個人能夠靠雙手來實現(xiàn)搬運的。而側頂裝式閥的設計使吊裝設備也很難發(fā)揮作用。閥門密封面距離檢修口還有一段距離，這意味著操作更困難。從圖3和4可以看出，通過側頂裝的檢修口來進行維修是多么的不安全和困難。

 

?另外，側頂裝閥在維修時也是需要將執(zhí)行機構卸掉，以避免閥門誤動作對維修人員造成傷害，如圖5右。

圖5 側頂裝式閥的“在線維修”

圖6  中大口徑側頂裝式閥維修時通過監(jiān)測孔無法夠到閥體根部的閥座密封圈
注：長度A - 檢修口沿到閥座密封圈的最下沿的距離；長度B – 人胳膊長度

 

 

按照ISO 15848-1的規(guī)定，揮發(fā)性物質外漏的測試包括閥體閥蓋的密封，和填料處的密封。對于側頂裝式閥，閥體閥蓋必須包括閥體閥蓋處的泄漏量以及維護口的泄漏量，兩者相加的最高值不能超過50PPM，如圖7所示；而正頂裝只有閥體閥蓋一處泄漏點，如圖8所示。

圖7 側頂裝式閥的外漏點包括閥蓋和維護口

圖8  正頂裝式閥的外漏點只有閥蓋

正頂裝提升閥板閥蓋時，是不需要動填料的，不會破壞ISO 15848-1或者TA-LUFT認證的閥桿密封填料系統(tǒng)。而且閥桿填料壓蓋的螺栓扭矩是在閥門維護過程中需要時時監(jiān)控的。隨著管道系統(tǒng)的緊湊設計帶來的整體管道振動，會引起填料壓蓋螺栓的松動。在ISO 15848-1的測試中，明確規(guī)定填料測試是允許填料壓蓋螺栓的緊固的，緊固的次數(shù)用SSA NO.記錄在報告上。而正頂裝的閥蓋提升更換密封圈以及維護等動作對于閥體閥蓋連接法蘭的動作，這一點和側頂裝的維護人孔的動作是一樣的。

 

側頂裝式閥的檢修口增加了泄漏渠道
 

正頂裝結構還避免了側頂裝結構下額外增加的側裝檢修口法蘭所帶來的另一個泄漏渠道。而且也減少了絕熱保護的管道壓力容器由于過多法蘭連接而造成的冷損失。

 

NFPA 59A LNG生產(chǎn)儲存及操作標準(危險評價)和EN1473 LNG岸上設備安裝及設計(安全限制值、安全要素)中明確規(guī)定“頂裝結構大大減少了法蘭連接的數(shù)量，以避免LNG泄露，增加安全性 – 涉及地震、易燃易爆物的泄漏、溢出、擴散、爆炸、燃燒、超壓、中毒、加熱蒸發(fā)等危險因素的防范 – 安全措施和安全技術要求”。

 

側頂裝結構不但沒有減少法蘭數(shù)量，而且還在原有的閥門設計結構上增加了檢修口的法蘭數(shù)量，達到3個，如圖9左側紅圈。而正頂裝的法蘭數(shù)量只有1個(底部端蓋焊死)，如圖9右側紅圈。

圖9  側頂裝結構（左）和正頂裝結構（右）的泄漏點示意圖

 

 

幾十年來，Vanessa三偏心蝶閥集多年閥門專業(yè)知識并與LNG客戶深入溝通，對LNG低溫深冷三偏心閥的設計不斷進行優(yōu)化，之所以推薦使用正頂裝對焊三偏心閥，正在從現(xiàn)場實踐經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)，在保證雙向零泄漏、無閥腔設計、全金屬結構、很低/零維護需求的同時，全生命周期維護的安全、便利和維護成本低也是客戶考慮的重中之重。