國(guó)外船用閥門應(yīng)用現(xiàn)狀及技術(shù)特點(diǎn)

胡 巍，汪曉菲，馬維良

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

閥門是用于控制船舶管路內(nèi)流體壓力、流量和流動(dòng)方向的重要設(shè)備，在船舶應(yīng)用中具有種類多、用量大、要求高等特點(diǎn)[1]。隨著船舶性能總體要求的提升，船用閥門的技術(shù)要求也不斷提升。以一體化、集約化、信息化、智能化等技術(shù)為特征的新產(chǎn)品逐漸被廣泛應(yīng)用，推動(dòng)著船用閥門產(chǎn)業(yè)的不斷進(jìn)步。

本文主要研究了國(guó)外船用閥門在軍船、民船、極地環(huán)境和深海環(huán)境的應(yīng)用情況，分析閥門產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)得出了國(guó)外閥門產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)。

1 軍船應(yīng)用

目前，國(guó)外船用閥門類型較多，均需滿足相 關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量認(rèn)證。以美軍為例，其船用閥門產(chǎn)品主要來(lái)自于通過(guò)資質(zhì)審核的一級(jí)閥門供應(yīng)商，見(jiàn)表1[2]。

表1 所述公司中，美國(guó)Velan 公司為950 余艘的美國(guó)海軍艦艇提供閥門產(chǎn)品；美國(guó)Leslie Control 公司為10 艘“弗吉尼亞”級(jí)潛艇提供閥門；美國(guó)Curtiss Wright Flow Control 公司除了為美國(guó)海軍提供潛艇用船體、壓載系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)閥門或電磁截止閥（Target Rock 品牌）外，還提供智能閥以支持海軍全電動(dòng)船自動(dòng)化計(jì)劃，用于升級(jí)的損傷控制和冷卻水冷卻系統(tǒng)。該公司帶有嵌入式傳感器的自動(dòng)無(wú)泄漏閥門技術(shù)能夠?yàn)楦呒?jí)集成設(shè)計(jì)師提供高水平的部件健康監(jiān)測(cè)方法，以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)管理，并提供網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議上的系統(tǒng)診斷，以便在緊急情況下重新配置無(wú)人系統(tǒng)。

表1 美國(guó)海軍艦用閥門主要供應(yīng)商

續(xù)表1：

2 民船應(yīng)用

在民船應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)外知名船用閥門企業(yè)主要角逐LNG 等高端市場(chǎng)和普通閥門智能化產(chǎn)品的更新?lián)Q代，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，大型集團(tuán)通過(guò)并購(gòu)方式進(jìn)一步增強(qiáng)其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

德國(guó)KSB公司是世界上3家最大的泵閥制造公司之一。2011 年KSB 公司收購(gòu)了韓國(guó)閥門專業(yè)公司Seres 有限公司，拓展了東亞船用閥門市場(chǎng)[3]。從種類繁多的AMRI 蝶閥到SISTO 隔膜閥，KSB 公司的船用閥已廣泛應(yīng)用于貨船、客船及LNG 油輪。AMRI 蝶閥可提供各種電動(dòng)、氣動(dòng)和液壓執(zhí)行器、齒輪箱以及各種控制附件。目前，所提供的閥門主要用于船上海水淡化、暖通空調(diào)、壓載水等領(lǐng)域。

美國(guó)CIRCOR International 公司于2017 年收購(gòu)了Colfax Fluid Handling 公司，使得其智能技術(shù)CM-1000 系列海水冷卻系統(tǒng)控制器新增了主動(dòng)閥門控制技術(shù)，有效提高了海水冷卻系統(tǒng)的泵能效，潛在的能源節(jié)約最高可達(dá)85%。CM-1000系列配備主動(dòng)閥門控制后，使用聲納可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)淡水冷卻溫度、泵吸和排水壓力等運(yùn)營(yíng)狀況。

德國(guó)Rexroth 公司為船用各類系統(tǒng)提供閥門，主要包括耐海水船用閥門、絞車閥門、比例閥、負(fù)載保持閥及發(fā)動(dòng)機(jī)用閥門等。

除此之外，美國(guó)McDermott 公司推出了全球最大的特種閥門專門用于INPEX 運(yùn)營(yíng)的Ichthys液化天然氣項(xiàng)目。每個(gè)閥門長(zhǎng)約9 m，高約7 m，重達(dá)100 多噸。首個(gè)閥門已經(jīng)成功建造并通過(guò)測(cè)試。

3 海工領(lǐng)域應(yīng)用

水下閥門是海工領(lǐng)域水下生產(chǎn)系統(tǒng)不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備之一，具有技術(shù)要求高、可靠性要求高和壽命要求高的“三高”特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)、材料、制造、焊接、檢驗(yàn)、測(cè)試和標(biāo)識(shí)等均具有嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)范。目前，提供水下閥門的公司主要是美國(guó)Parker Hannifin 公司和德國(guó)B?hmer GmbH 公司。

其中，美國(guó)Parker Hannifin 公司的高壓海底球閥能夠在137.9 MPa 的壓力下工作，工作深度為3 810 m，尺寸為3/16''、1/4''、3/8''和1/2''（1''=2.54 cm）。其標(biāo)準(zhǔn)球閥在316 SS 中配有特殊材料，適用于用于遙控?zé)o人潛航器（ROV）操作（見(jiàn)圖1）。

圖1 美國(guó)Parker Hannifin 公司高壓海底球閥

德國(guó)B?hmer GmbH 公司的全焊接海底球閥具有高負(fù)荷、無(wú)泄漏、免維護(hù)等特點(diǎn)，能承受極端壓力，且內(nèi)置材料使它們不易腐蝕，可廣泛應(yīng)用于海底管道、海上平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油船儲(chǔ)罐等系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）?；谶@些特點(diǎn)，德國(guó)B?hmer GmbH公司的球閥是少數(shù)通過(guò)API6D和API6DSS認(rèn)證的閥門之一。

圖2 德國(guó)B?hmer GmbH 公司海底球閥

4 極地環(huán)境應(yīng)用

隨著極地航線的興起，極地船舶配套設(shè)備的研制也成為了當(dāng)前船舶設(shè)備發(fā)展的重要方向。DNV GL 發(fā)布的"Part 6 Additional class notations Chapter 6 Cold climate"對(duì)極地船通海閥、截止閥等都作了規(guī)定[4]。英國(guó)Parker Bestobell Marine 公司生產(chǎn)的冰級(jí)液化天然氣船用截止閥和單向低溫閥系列產(chǎn)品于2015 年獲得四大機(jī)構(gòu)的全型認(rèn)證—DNV GL、必維國(guó)際檢驗(yàn)集團(tuán)（Bureau Veritas）認(rèn)證，美國(guó)船級(jí)社（ABS）和國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)（IACS），可用于船舶的低溫應(yīng)用，包括用于LNG船和燃料船的貨物系統(tǒng)、LNG 燃?xì)庀到y(tǒng)、LNG再氣化系統(tǒng)和LNG 再液化系統(tǒng)的閥門。2016 年，該公司獲得了北極液化天然氣運(yùn)輸船的訂單，這些運(yùn)輸船是專門為俄羅斯西伯利亞的LNG Yamal項(xiàng)目設(shè)計(jì)的，可在溫度低至-54°C 的北極條件下運(yùn)行[5]。

5 國(guó)外船用閥的技術(shù)特點(diǎn)

5.1 閥門工藝/制造質(zhì)量控制

國(guó)外船用閥門生產(chǎn)企業(yè)在工藝、制造等方面都遵循相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以確保所有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造的安全性與可靠性。軍用領(lǐng)域以美國(guó)為例，其閥門產(chǎn)品主要依據(jù)表2 所列的軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

表2 美國(guó)艦船用閥門主要相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表2：

在民用領(lǐng)域，主要的閥門標(biāo)準(zhǔn)化組織包括美國(guó)石油學(xué)會(huì)（API）、美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）及各國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)等，例如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）、日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（JIS）。其中，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)（ASME）發(fā)布了約20 多項(xiàng)船用閥門標(biāo)準(zhǔn)。

1 ） 船用管道盲閥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：ASTM F1020-86(2018)StandardSpecificationfor Line-Blind Valves for Marine Applications；

2）閥門鎖緊裝置標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：ASTM F993-17 Standard Specification for Valve Locking Devices；

3）船用管路截流閥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：ASME F1020-Standard Specification for Line-Blind Valves for Marine Applications；

4）船用水系統(tǒng)減壓閥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：ASME F1370-StandardSpecificationforPressure Reducing valves for Water Systems, Shipboard；

5）E1 氣動(dòng)球形控制閥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：ASTMF1985-99(2019)e1 Standard Specification for Pneumatic-Operated, Globe-Style, Control Valves。

日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì)（JISC）發(fā)布了77 項(xiàng)船舶行業(yè)用閥門，例如造船-甲板用于控制閥門JIS F 3024：1996Shipbuilding-Deck stands for controlling valves、造船-油箱緊急關(guān)閉閥IS F 7399：2002Shipbuilding-Fuel Oil Tank Emergency Shut-off Valves。

5.2 船用閥門發(fā)展的重點(diǎn)

當(dāng)前，美國(guó)船用閥門類型較為廣泛，包括緊急切斷閥、減溫減壓閥、蝶型止回閥、泄壓閥、安全截止閥等多種新式閥門[6]。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，高性能/低泄露、靜音、智能閥門技術(shù)逐漸成為重點(diǎn)研發(fā)對(duì)象。其中，靜音閥門（電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)）可滿足特種船舶對(duì)低噪聲的要求。例如，美國(guó)VACCO Industries 公司開(kāi)發(fā)的流體控制閥，可應(yīng)用于“海狼”（SSN-21）、“弗吉尼亞”（SSN-774）等各型潛艇；美國(guó)Sargent Aerospace & Defense 公司采用專有的靜音技術(shù)及緊配合公差（tight tolerance matched）技術(shù)可為潛艇及航空領(lǐng)域提供可靠性高、壽命長(zhǎng)的閥門（壓力補(bǔ)償控制閥、液壓換向閥、檢查閥門、安全閥、高壓球閥、調(diào)壓閥）。在智能閥門技術(shù)方面，美國(guó)Curtiss Wright Flow Control 公司的嵌入式傳感器自動(dòng)無(wú)泄漏閥門技術(shù)以及美國(guó)CIRCOR International 公司的CM-1000 智能閥門產(chǎn)品均可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷和健康管理，可有效提升產(chǎn)品使用的可靠性。

5.3 產(chǎn)品研制重視“三化”設(shè)計(jì)工作

為了以最小的投入和有限的品種、規(guī)格單元研制出滿足多樣化需求的通用基礎(chǔ)機(jī)電產(chǎn)品，達(dá)到縮短研制周期、降低成本、提高質(zhì)量和可靠性的目的，國(guó)外閥門廠商十分重視產(chǎn)品“三化”工作，并將通用化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)列為其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。例如美國(guó)Parker Hannifin 公司高壓海底球閥的3/16''、1/4''、3/8''和1/2''等系列規(guī)格，大幅提升了產(chǎn)品的適用范圍。