LNG 接收站進(jìn)口低溫球閥泄漏故障維修及優(yōu)化研究

雷凡帥

（中石油江蘇液化天然氣有限公司，江蘇南通 226400）

0 引言

低溫球閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于操作和維修等特點(diǎn)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在液化天然氣（LNG）接收站應(yīng)用的各類閥門中，低溫球閥的數(shù)量占比高達(dá)60%以上，應(yīng)用極為廣泛。接收站超低溫閥門的過流介質(zhì)LNG 具有分子量小、粘度低、浸透性強(qiáng)的特點(diǎn)，容易造成天然氣泄露，具有易燃易爆的特性。自中石油江蘇LNG 接收站投產(chǎn)運(yùn)行以來，主要高壓工藝管線上的低溫球閥頻發(fā)生內(nèi)漏、外漏等故障，對(duì)接收站生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備檢修、隔離吹掃等帶來較大挑戰(zhàn)。

1 故障閥門信息

在LNG 接收站高壓泵出口與氣化器之間的高壓管路上，低溫球閥內(nèi)漏和外漏現(xiàn)象尤為突出，應(yīng)用規(guī)格為10 英寸8 英寸CL1500 的低溫變徑球閥，閥門品牌POYAM，管道介質(zhì)LNG，工作溫度為-162，最高工作壓力約11 MPa，結(jié)構(gòu)型式為上裝式固定球閥（圖1）。和側(cè)裝式球閥相比，上裝式球閥維修時(shí)不需要將整個(gè)閥門從管道上拆下來即可取出閥球和閥座，實(shí)現(xiàn)了閥球、閥座、閥桿等各零部件的在線維修[1]。閥桿填料處采用典型的柔性石墨和盤根的密封形式。

該類低溫球閥的典型故障特征為嚴(yán)重內(nèi)漏、閥蓋與閥體間連接處LNG 外漏和閥桿上方的填料壓蓋處天然氣外漏（圖2）。嚴(yán)重內(nèi)漏造成下游LNG 氣化設(shè)備無法有效隔離，閥門切斷功能失效，干擾設(shè)備運(yùn)行和檢修；閥門外漏時(shí)LNG大量氣化，極易引發(fā)天然氣爆燃，造成嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)隱患。因此有必要對(duì)該類故障閥門進(jìn)行解體檢修維護(hù)，解決泄漏故障和隱患。

2 閥門解體拆檢和分析

LNG 高壓工藝管線上的閥門通常采用焊接方式連接，在球閥的上下游管道實(shí)施了有效的能量隔離的前提下，對(duì)故障閥門開展了在線解體檢修。

圖1 低溫球閥外觀結(jié)構(gòu)

圖2 低溫球閥漏點(diǎn)示意

2.1 內(nèi)漏原因檢查和分析

拆下并吊出閥蓋后解體檢查，發(fā)現(xiàn)閥腔內(nèi)壁、閥球、閥座上附著了較多的浮銹及污物（圖3）。在與球體配合的閥座PCTFE 密封環(huán)面上可見多處顯著的貫穿受損劃痕（圖4），球體、閥座基體與閥腔處的密封等其他結(jié)構(gòu)基本完整。由此推斷閥門內(nèi)漏的直接原因是聚三氟氯乙烯（PCTFE）材質(zhì)的閥座密封環(huán)受異物機(jī)械劃傷造成的關(guān)鍵密封貫穿失效。

由于低溫球閥的基體、閥球等零部件均采用304/304L 或316/316L 等奧氏體不銹鋼材質(zhì)，過流介質(zhì)LNG 腐蝕性低，通常低溫球閥的閥腔內(nèi)應(yīng)相對(duì)潔凈，而從拆檢時(shí)發(fā)現(xiàn)的較多的浮銹等雜物可推斷，在管道與閥門焊接完成或水壓試驗(yàn)后，未能對(duì)管線和閥門進(jìn)行徹底的排凈和吹掃，導(dǎo)致閥腔存留積水、浮銹、金屬粉塵和焊渣等雜物。在低溫工況下球閥的閥腔、球體兩側(cè)的溝槽積水結(jié)冰，與混雜的銹渣等同時(shí)附著在球體和閥座周邊，每當(dāng)閥門進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作時(shí)極易誘發(fā)閥座軟密封面嚴(yán)重劃傷，并致使閥座軟密封性能持續(xù)惡化。

圖3 拆檢發(fā)現(xiàn)閥腔和閥球附著大量浮銹等異物

圖4 閥座主密封上的貫穿受損劃痕

2.2 閥蓋泄漏原因檢查和分析

低溫高壓球閥的閥蓋與閥體間采用環(huán)形八角墊密封型式，閥蓋和閥體頂部開設(shè)墊槽，通過緊固閥蓋與閥體間的連接螺栓形成的預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)閥體的有效密封。八角墊密封屬于徑向自緊密封，墊圈的平均直徑比墊槽平均直徑略大，靠墊圈與墊槽的內(nèi)外斜面接觸，通過緊固閥蓋與閥體間的連接螺栓形成的預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)閥體的有效密封。墊圈與墊槽斜面的角度一般均為23。參考API 6A 標(biāo)準(zhǔn)，這種密封型可承受壓力高達(dá)68.9 MPa。檢查發(fā)現(xiàn)八角墊環(huán)及配合的密封槽未見顯著異常損傷或變形，由此可推斷造成閥蓋處LNG 外漏的原因與八角密封圈及配合面的結(jié)構(gòu)完整性之間沒有直接的相關(guān)性。

閥球的泄壓孔位于球體正上方的閥桿定位槽內(nèi)，當(dāng)閥位由全關(guān)開至全開時(shí)，閥腔和球體之間因受到LNG 局部氣化形成的正壓作用，LNG 不能在閥蓋處迅速過流和冷卻，導(dǎo)致閥體各部位冷縮變形速度差異較大，因不均勻變形誘發(fā)閥蓋處LNG 外漏。

2.3 閥桿填料處泄漏原因檢查和分析

低溫高壓球閥的閥桿處密封采用2 層石墨盤根+4 層柔性石墨的密封型式，將拆解下的填料按順序排列（圖5）。填料壓蓋采用蝶型彈簧墊片進(jìn)行預(yù)緊，使填料在低溫時(shí)的預(yù)緊力能得到連續(xù)補(bǔ)償，從而保證填料密封性能長期有效。

自LNG 接收站投運(yùn)以來，在LNG 接收站高壓工藝管路上的低溫球閥的填料壓蓋處均能檢測(cè)到不同程度的天然氣泄漏，檢查閥桿、填料和密封腔體均未見顯著磨損、老化等異常現(xiàn)象，與填料接觸的閥桿處的粗糙度Ra0.4m，由此推斷導(dǎo)致填料壓蓋處天然氣外漏與該位置密封結(jié)構(gòu)完整性之間沒有直接因果關(guān)系。在高壓狀態(tài)下，低溫閥門僅采用盤根和柔性石墨填料的密封型式可靠性較差，難以有效滿足站場(chǎng)閥門的密封需求。

3 預(yù)防和改進(jìn)措施

3.1 規(guī)范閥門安裝流程

規(guī)范的閥門安裝、試壓和吹掃流程對(duì)低溫閥門的后期可靠運(yùn)行極為重要。閥門安裝前，應(yīng)檢查確認(rèn)管道、閥門流道內(nèi)是否在積液、銹渣、焊渣等異物，如果存在應(yīng)清理后再焊接安裝。閥門焊接時(shí)應(yīng)將閥位設(shè)置在全開狀態(tài)，以避免可能的鐵屑、焊渣等異物對(duì)閥球密封面的不良影響。

圖5 檢修時(shí)從低溫球閥取下的舊填料

由于接收站機(jī)械完工驗(yàn)收前管道壓力試驗(yàn)采用水壓試驗(yàn)，低溫閥門密封填料會(huì)因進(jìn)水失效，試壓后閥門的吹掃工作也比較困難，如果吹掃不徹底，投入使用后雜質(zhì)和冰渣極易會(huì)劃傷密封面，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏[2]。因此水壓試驗(yàn)后，應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行徹底的排凈和吹掃，確保管線內(nèi)無積液或固體雜物。為避免水壓試驗(yàn)后閥腔因進(jìn)水而無法徹底排凈，應(yīng)在水壓試驗(yàn)后打開閥門底部排凈絲堵確認(rèn)積水排凈。

3.2 緊固閥蓋連接螺栓或更換密封環(huán)

在生產(chǎn)應(yīng)用過程中，提高閥蓋螺栓緊固力矩通常能夠有效控制球閥的閥蓋處的LNG 泄漏。閥蓋連接螺栓為低溫用不銹鋼螺栓，適用標(biāo)準(zhǔn)為《ASTM A320-A320M-18 低溫用合金鋼和不銹鋼螺栓》，可以使用力矩扳手或扭力變送器重新緊固螺母，確保閥蓋螺栓受力均勻。

當(dāng)閥蓋處泄漏量較大或多次提高緊固力矩緊固依然無效時(shí)，不應(yīng)再盲目繼續(xù)提高大蓋螺栓的緊固力矩，以免造成密封槽塑性變形或不銹鋼螺栓咬死；應(yīng)對(duì)閥門解體后，細(xì)致檢查閥門密封墊環(huán)和對(duì)應(yīng)的密封槽是否存在機(jī)械損傷或缺陷，檢查八角墊和密封槽中徑尺寸是否一致，并更換八角墊環(huán)或修復(fù)受損密封槽。

3.3 優(yōu)化填料壓蓋處密封結(jié)構(gòu)型式

為提升低溫球閥填料處的密封性能，對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：移除閥門填料最上方的2 層柔性石墨，替換為2 層石墨盤根+O 形環(huán)+2 層柔性石墨密封的多重組合密封形式（圖6）。O 形環(huán)的內(nèi)外兩側(cè)各配置1 個(gè)O 形圈，實(shí)現(xiàn)閥桿和內(nèi)孔間的有效密封。O 形圈的溫度適用范圍可達(dá)-50，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用工況要求。密封結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)解決了閥桿填料壓蓋處長期普遍泄漏天然氣的隱患，實(shí)際應(yīng)用效果良好。

4 低溫球閥零部件國產(chǎn)化的建議

目前應(yīng)用的進(jìn)口低溫球閥的PCTFE 材質(zhì)的閥座密封圈采用嵌入式安裝在金屬閥座基體上（圖7），密封圈外緣處采用金屬旋壓固定且不可拆卸的裝配方式，這種設(shè)計(jì)型式優(yōu)點(diǎn)是避免了PCTFE 的密封圈產(chǎn)生冷流變形；缺點(diǎn)是在閥門檢修時(shí)，即便閥座基體依然完好但不能單獨(dú)更換閥座密封件，目前只能整體更換閥座基體和密封的組合件（圖8），備件更換成本較高。

圖6 閥桿壓蓋處密封形式改進(jìn)

圖7 閥座密封圈和基體的連接形式示意

進(jìn)口低溫球閥在國內(nèi)的LNG 接收站有較大的保有量[3]，結(jié)合中石油、中石化和中海油的LNG 項(xiàng)目分析，高壓大口徑低溫球閥應(yīng)用較多的是POYAM 等進(jìn)口品牌。當(dāng)前在進(jìn)口低溫球閥維修方面，涉及更換的閥座組件、彈簧蓄能式密封圈以及填料等備件的更換成本極為高昂，僅單套進(jìn)口低溫高壓球閥的備件的進(jìn)口費(fèi)用即高達(dá)數(shù)十萬元，到貨周期長達(dá)數(shù)月，使閥門檢修的靈活性受到一定制約。鑒于目前國內(nèi)閥門企業(yè)在低溫材料制造加工、閥門密封等零部件的設(shè)計(jì)制造方面已取得顯著進(jìn)展，宜在保障質(zhì)量可控的前提下，逐步開展零部件的國產(chǎn)化替代和升級(jí)改造，從而大幅降低閥門備件采購費(fèi)用，優(yōu)化控制低溫球閥的維修成本。

圖8 閥座實(shí)體

5 結(jié)論

通過對(duì)LNG 接收站高壓管線上較大口徑低溫球閥的泄漏故障檢修和分析，針對(duì)當(dāng)前LNG 接收站應(yīng)用的低溫球閥內(nèi)漏、閥蓋外漏、閥桿外漏等泄漏的故障特點(diǎn)，提出了針對(duì)性的意見和優(yōu)化措施，在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好成效，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于該類低溫球閥在國內(nèi)LNG 接收站的保有量較大，預(yù)期對(duì)同類閥門的維修和國產(chǎn)化應(yīng)用有廣泛的借鑒意義。