船用LNG超低溫閥門型式認(rèn)可有關(guān)問題分析

吳文翔

（中國船級社武漢分社，湖北武漢 430022）

0 引 言

自國內(nèi)成功研制出船用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）超低溫閥門以來，該產(chǎn)品的市場開發(fā)日益繁榮。為提升船用LNG超低溫閥門的質(zhì)量，深入做好該產(chǎn)品的型式認(rèn)可工作具有重要意義。從實(shí)踐情況來看，目前該產(chǎn)品的型式認(rèn)可還存在一些技術(shù)方面的問題，有的源于制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)不足，有的源于技術(shù)應(yīng)用反饋積累不夠。為促進(jìn)船用LNG超低溫閥門型式認(rèn)可要求的落實(shí)，有必要對這些問題進(jìn)行研究。

1 焊接的低溫沖擊韌性

在制造LNG超低溫閥門過程中，焊接工作必不可少。當(dāng)前針對超低溫閥門奧氏體不銹鋼的焊接工藝已有很多，焊接方法有鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護(hù)焊等，接頭型式一般是對接。鎢極氬弧焊使用的焊接材料是標(biāo)準(zhǔn)的低碳奧氏體不銹鋼焊絲，在嚴(yán)格的氣體保護(hù)下焊接成型效果較好，非金屬夾雜較少，能獲得良好的接頭機(jī)械性能。鎢極氬弧焊以外的其他焊接方法使用的焊接材料是控制鐵素體系列奧氏體不銹鋼焊材，通過控制焊縫金屬冷卻凝固時析出的數(shù)量合適、抗裂性強(qiáng)的δ鐵素體相（美國焊接學(xué)會推薦指標(biāo)3FN），達(dá)到降低焊縫的熱裂紋敏感性，提高接頭的沖擊韌性的目的。奧氏體不銹鋼焊接接頭的超低溫韌性通過液氮冷卻的沖擊試驗(yàn)檢測，要求夏比V型缺口標(biāo)準(zhǔn)試樣承受的沖擊功大于40 J/cm，橫向膨脹量大于0.38 mm。橫向膨脹量是需注意的指標(biāo)，最早由ASME（American Society of Mechanical Engineers）標(biāo)準(zhǔn)提出，目前已被LNG行業(yè)廣泛接受，旨在全面考核奧氏體不銹鋼的超低溫沖擊韌性。由于沖擊試樣承受的沖擊功主要消耗在材料塑性變形和裂紋的擴(kuò)展與斷裂上，若只看沖擊功而不管材料的塑性變形，有可能出現(xiàn)試樣的沖擊功雖滿足要求，但其塑性變形不達(dá)標(biāo)，仍被判合格的情況，使零件在使用過程中產(chǎn)生安全隱患。

2 制造中的無損檢測

無損檢測是檢查產(chǎn)品內(nèi)部有無缺陷的重要手段。無損檢測內(nèi)容是GB/T 24925—2019 修改的重點(diǎn)之一，從2020 年5 月起正式實(shí)施，是今后根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)船用LNG超低溫閥門型式認(rèn)可要求的重要抓手。

船用LNG超低溫閥門無損檢測項(xiàng)目和要求見表1。通過無損檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷按以下原則處理：

表1 船用LNG超低溫閥門無損檢測項(xiàng)目和要求

1）鍛件材料存在缺陷不應(yīng)焊補(bǔ)，一般予以更換；

2）鑄件材料缺陷的清除和焊補(bǔ)修復(fù)應(yīng)符合JB/T 7248 的規(guī)定，但對于存在蜂窩狀氣孔、成品試壓滲漏且焊補(bǔ)之后無法保證質(zhì)量、同一部位補(bǔ)焊超過2 次、按圖紙或訂貨合同規(guī)定不允許存在的缺陷，均不應(yīng)焊補(bǔ)，作報(bào)廢處理。

3 超低溫閥門的密封性能

超低溫閥門的密封性能是型式試驗(yàn)考察的重點(diǎn)，通過常溫、壓力條件下的殼體強(qiáng)度試驗(yàn)和密封試驗(yàn)、閥座密封試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)，以及低溫、壓力條件下的殼體泄漏試驗(yàn)和閥座泄漏試驗(yàn)進(jìn)行全面的檢測驗(yàn)證。關(guān)于閥門的密封性能要求，目前的共識是在常溫環(huán)境下不允許泄漏，在超低溫環(huán)境下可極微量泄漏，即：在冷態(tài)工作壓力下持續(xù)900 s，填料密封處泄漏量不超過100 ppmv，法蘭墊片處泄漏量不超過50 ppmv。在內(nèi)泄漏方面，目前的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求尚不一致，有的允許，有的不允許（相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對比見表2）。表2 中，DN 為閥門公稱直徑，單位為mm。外泄漏是指壓力邊界壁與任何固定閥體結(jié)合處的滲漏和閥桿上密封處的滲漏；內(nèi)泄漏是指閥座密封面的滲漏。內(nèi)泄漏雖然不會直接引發(fā)危險(xiǎn)，但會降低閥門的功效，并使閥內(nèi)零件的工作環(huán)境惡化，影響閥門的使用壽命。鑒于船上環(huán)境的特殊性，閥門失效被認(rèn)為是導(dǎo)致LNG 船產(chǎn)生火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵因素，因此盡管徹底克服閥門內(nèi)泄漏比較困難，這仍是船用LNG超低溫閥門質(zhì)量提升的目標(biāo)。減少閥門內(nèi)泄漏的主要途徑是提高閥座密封副的質(zhì)量和保持適當(dāng)?shù)拿芊獗葔?。密封副的加工精度越高，密封面的吻合度越高，?nèi)泄漏越少。以球閥為例，球體的圓度至少達(dá)到9 級，密封面的表面光潔度要在▽10 級以上。保持閥座密封比壓的關(guān)鍵是在超低溫環(huán)境下提供比壓補(bǔ)償，通常借助預(yù)緊彈簧的回復(fù)力實(shí)現(xiàn)。適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行比壓補(bǔ)償設(shè)計(jì)可使閥座的密封比壓在液氮溫度下達(dá)到18 MPa，有效防止閥座出現(xiàn)內(nèi)泄漏。當(dāng)然，密封比壓并不是越高越好，其上限不能超過材料的許用比壓，否則會造成密封面局部變形并影響密封面的吻合度。這些都是超低溫閥門型式認(rèn)可中圖紙審查的關(guān)注點(diǎn)。

表2 不同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的閥座密封面泄漏要求對比

4 閥門耐火性能

耐火性是船用LNG超低溫閥門的顯著特點(diǎn)。為達(dá)到耐火性能要求，在選取閥門的密封材料和設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)時需專門考慮耐火性要求。對于密封材料，除了橡膠類材料和有機(jī)高分子材料以外，需增加石墨類材料，以提高其高溫密封效果。密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：中法蘭及其緊固件、墊片防止因材料高溫蠕變導(dǎo)致壓緊力不足；金屬閥座避免因熱變形而與閥體卡滯；非金屬閥座增設(shè)二次密封面；閥腔具有泄壓結(jié)構(gòu)，避免腔體內(nèi)壓力急劇升高。閥門的耐火性能通過標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)測定。ISO 10497：2010 和API 607—2010 針對耐火試驗(yàn)的準(zhǔn)則、方法和閥門耐火性能的要求與評定作出了明確的規(guī)定。GB/T 26479—2011 與這些標(biāo)準(zhǔn)的要求保持一致。需說明的是，這些標(biāo)準(zhǔn)是針對軟閥座閥門提出的，對于普遍采用硬閥座的船用LNG 超低溫閥門來說可借鑒，但某些細(xì)節(jié)（例如泄漏量指標(biāo)）還需進(jìn)一步明確。

5 低溫循環(huán)壽命試驗(yàn)

歐盟關(guān)于液化天然氣閥門的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)EN 12567—2000 提出了閥門低溫循環(huán)壽命試驗(yàn)（以下簡稱“壽命試驗(yàn)”）的要求。現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 28921-2：2015 在超低溫閥門的型式試驗(yàn)中也規(guī)定了壽命試驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容。雖然二者關(guān)于壽命試驗(yàn)的具體規(guī)程有所不同，但試驗(yàn)?zāi)康氖且恢碌?，即通過測試了解產(chǎn)品的壽命特征和失效規(guī)律，對產(chǎn)品的可靠性水平進(jìn)行評價(jià)。通常情況下，這種測試是通過一定次數(shù)的閥門啟閉循環(huán)操作和該過程中的系列檢測完成的。早期的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥門啟閉循環(huán)次數(shù)較多，例如EN 12567—2000 規(guī)定“等級為I級的閥門壽命試驗(yàn)啟閉循環(huán)2 000 次，等級為II級的閥門壽命試驗(yàn)啟閉循環(huán)500 次”。近幾年出臺的某些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)減少了啟閉循環(huán)次數(shù)，例如ISO 28921-2：2015 規(guī)定“閥門壽命試驗(yàn)共進(jìn)行205 次啟閉循環(huán)，分階段進(jìn)行”。GB/T 24925—2019 關(guān)于閥門啟閉循環(huán)次數(shù)的規(guī)定與ISO 28921-2：2015 基本相當(dāng)。閥門密封副頻繁啟閉會造成磨損并影響其密封性能，但采用硬密封的閥座在試驗(yàn)初期磨合之后可改善密封面，配合提升密封效果（見表3）。因此，閥門啟閉循環(huán)的次數(shù)要合理，次數(shù)過多沒有必要，次數(shù)過少不利于對閥門的密封性能作出準(zhǔn)確的檢測。在閥門壽命試驗(yàn)中，在啟閉循環(huán)次數(shù)不多的情況下，若未發(fā)現(xiàn)失效現(xiàn)象，對其可靠性進(jìn)行評估涉及無失效數(shù)據(jù)情形下的可靠性分析問題。當(dāng)前有關(guān)無失效數(shù)據(jù)情形下的可靠性分析的研究已有很多，提出了很多有效的方法。例如，假設(shè)產(chǎn)品的使用壽命服從雙參數(shù)Weibull 分布，且其形狀參數(shù)和尺度參數(shù)可根據(jù)產(chǎn)品既往的實(shí)踐反饋信息分析求得，則通過壽命試驗(yàn)可求得某置信度下設(shè)定可靠度的產(chǎn)品的使用壽命或某置信度下的設(shè)定產(chǎn)品使用壽命的可靠度。若產(chǎn)品的先驗(yàn)信息不足，Weibull分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)不確定，也可根據(jù)壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估算，進(jìn)而求取產(chǎn)品的使用壽命或其可靠度的相應(yīng)單側(cè)置信限。后一種估計(jì)的精確性相對較差。因此，閥門壽命試驗(yàn)中啟閉循環(huán)次數(shù)減少，對產(chǎn)品既往使用的先驗(yàn)信息提出了更高的要求，客觀上有利于發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)產(chǎn)品借助以往積累的產(chǎn)品使用壽命信息，在可靠性評估中繼續(xù)保持優(yōu)勢，形成對新產(chǎn)品的競爭壁壘。這是在借鑒和轉(zhuǎn)化國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)時需關(guān)注的問題。

表3 某型球閥壽命試驗(yàn)的閥座泄漏情況記錄

6 結(jié) 語

切實(shí)做好船用LNG超低溫閥門的型式認(rèn)可工作，對于保障閥門產(chǎn)品的質(zhì)量而言具有重要意義。從實(shí)踐情況來看，目前對閥門制造中焊縫低溫沖擊韌性評判、無損檢測要求落實(shí)和相關(guān)型式試驗(yàn)指標(biāo)的掌握還有不足之處，需在今后進(jìn)一步改進(jìn)。