國產(chǎn)閥門在液態(tài)金屬鈉罐式集裝箱的開發(fā)與應用

翟光杰，武曉東

(1.中鹽內(nèi)蒙古化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 阿拉善 750336；2.上海博闔流體技術有限公司，上海 200000)

1 前言

卸鈉閥，是安裝在液態(tài)金屬鈉罐式集裝箱頂部，用來灌注和抽取液化金屬鈉的虹吸管頂部法蘭上的專用閥門。每臺金屬鈉罐式集裝箱的頂部設置兩臺帶有高溫導熱油夾套的卸鈉閥、兩臺加注和排放氮氣的非夾套閥門，以此形成一備一用兩套閥門裝置來完成裝載、卸鈉和閉鎖功能。

卸鈉閥的使用頻率較高，金屬鈉在液態(tài)條件下溫度高，閥門閉鎖不嚴將使金屬鈉泄露，會導致爆燃等危險情況出現(xiàn)。因此，液態(tài)金屬鈉罐式集裝箱上使用的卸鈉閥以及氮氣閥位置關鍵，技術要求高，在進口的21 m3儲罐(國際標準20″集裝箱)上采用原裝進口的美國Flowserve公司金屬密封旋塞閥產(chǎn)品。

2 工藝要求

2.1 工藝流程簡介

如圖1所示，罐式集裝箱(以下簡稱“罐箱”)是按照標準集裝箱的尺寸將儲罐安放在鋼架構成的框架內(nèi)，以便使用公路或海運將介質(zhì)在兩地直接輸送的專用儲運設備。

針對液態(tài)金屬鈉罐式集裝箱來說，金屬鈉要在融化狀態(tài)下以液態(tài)形式進行灌裝、抽取的操作。有別于其他輸送液體的儲罐，介質(zhì)在灌注、運輸和抽取的操作中始終保持液態(tài)形式，液態(tài)金屬鈉在灌注和抽取的過程中通過高溫導熱油加熱保持液態(tài)，而運輸過程中則經(jīng)冷卻后金屬鈉始終保持固態(tài)。同時，金屬鈉罐箱有別于其他物料儲罐的卸料閥門和管道設置在罐體底部，金屬鈉的灌注和卸載的形式一般都是采用頂部開口安裝虹吸管來實現(xiàn)。

2 使用工況

(1)鑒于金屬鈉物料的物化性質(zhì)，在裝載和卸載的過程中需要通過高溫導熱油管路對整個罐體以及閥門加熱，使金屬鈉充分受熱融化成為液態(tài)，同時要保證罐體內(nèi)沒有被液態(tài)金屬鈉占據(jù)的空間充滿的是惰性氣體—氮氣，以便隔絕空氣，避免金屬鈉接觸空氣劇烈氧化爆燃。

(2)金屬鈉的熔點在常壓下是97.8 ℃，在沒有惰性氣體保護的條件下，對金屬鈉加熱超過該溫度就會發(fā)生氧化并出現(xiàn)冒白煙的情況。一般在有氮氣這種惰性氣體保護的條件下，對金屬鈉的加熱油溫控制在110 ℃～130 ℃。

(3)根據(jù)使用手冊，在裝載和卸載時，高溫導熱油的溫度應保持在110 ℃～130 ℃左右。雖然罐體以及附件的設計溫度極限為200 ℃，但即便是短時間內(nèi)也盡量避免導熱油溫度升高至180 ℃～190 ℃。長期高頻率地把導熱油溫度提升至設計極限，有很高概率可能導致罐體強度銳減以及閥門的密封失效等嚴重的問題出現(xiàn)。

(4)金屬鈉的裝載和卸載都是通過安裝在虹吸管頂部法蘭上的帶夾套的閥門完成，非夾套的閥門是用來補充或排放保護性氣體—氮氣。

(5)裝載時，金屬鈉在重力作用下自由流淌注入罐體，氮氣通過氮氣閥排出罐體；卸載時，通過抽取或氮氣加壓方式，將液態(tài)的金屬鈉通過虹吸管和夾套閥門排出罐體。

(6)液態(tài)金屬鈉罐箱專用閥門使用工況的特點：介質(zhì)是液態(tài)金屬鈉；介質(zhì)的溫度按照常規(guī)為130 ℃以下；工作壓力為0.1 MPa～0.2 MPa；閥體需做導熱油夾套。

2.3 使用要求

(1)液態(tài)金屬鈉專用閥門為開關兩位的手動關斷閥；

(2)閥門需要雙向密封，在0 MPa～0.15 MPa的氮氣作用下，閥座應達到ASME b16.104/FCI 70-2規(guī)定的V極泄漏水平；

(3)閥門主要材質(zhì)的選擇應考慮金屬鈉的特性以及工作溫度的影響，避免使用與金屬鈉易發(fā)生反應形成金屬間化合物；

(4)閥門形式的選擇和密封結構的設計要滿足液態(tài)金屬鈉的流通要求，避免因鈉金屬凝固導致的閥門卡澀或卡死現(xiàn)象。

3 進口卸鈉閥在21 m3儲罐上的應用

3.1 進口閥門的結構形式

進口的21 m3液態(tài)金屬鈉罐箱所配套采用的是美國Flowserve公司生產(chǎn)的金屬密封旋塞閥，品牌為Nordstrom。閥門為碳鋼閥體，卸鈉閥為鍛鋼閥體，體內(nèi)有供高溫導熱油通流的通道，氮氣閥為鑄鋼閥體。閥門的旋塞與閥座是金屬對金屬密封形式，不論是帶夾套的卸鈉閥還是氮氣閥，必須定期使用高溫密封注脂填充在閥塞和閥門中腔之間來保證閥門的密封性。

為了保證氣體和金屬鈉介質(zhì)的零泄漏，該閥門每使用2次～3次之后，或者長期擱置之后，必須加注新的高溫密封脂。

高溫密封注脂是這種結構形式的旋塞閥必備的輔材，這是因為旋塞閥的結構特點所限，無法保證密封閥的金屬接觸面嚴絲合縫的接觸，所以除了軟密封形式的旋塞閥以外，金屬對金屬的旋塞閥，不論使用溫度高低，都必須使用密封加注油脂來保證其密封性能。

FlowserveNordstrom的旋塞閥的閥桿密封采用了柔性石墨密封圈的形式，石墨材質(zhì)使用，范圍比較廣，這種類型的密封材料可以使用在低溫、常溫和400 ℃以上的高溫工況。綜上所述，進口的液態(tài)金屬鈉儲罐上配套的美國Flowserve Nordstrom公司金屬密封旋塞閥有結構簡單、密封性能良好的特點。

3.2 進口閥門的使用狀況

中鹽內(nèi)蒙古化工股份有限公司(以下簡稱“公司”)使用FlowserveNordstrom閥門的進口儲罐一般是用于金屬鈉的出口業(yè)務，需將成品鈉裝罐后通過海運方式運輸?shù)絿饪蛻羰种校? a使用頻率約為2次/臺罐箱(美國客戶)，即閥門需開關使用4次左右。在以前的使用經(jīng)驗中沒有出現(xiàn)閥門卡澀和內(nèi)漏的狀況，可靠性還是不錯的。

鑒于罐體在空置狀態(tài)下也必須保證罐內(nèi)充有保護性氣體以免存留的余鈉接觸空氣而發(fā)生氧化反應導致危險狀況出現(xiàn)，因此該閥門需要定期補充密封加注油脂。該注脂為Flowserve公司專用輔材，需要定期購買，且價格比較昂貴，國內(nèi)找不到替代產(chǎn)品，因此維護保養(yǎng)的費用較高。

除此以外，該閥門的采購成本比較高，閥門采購價格一般在5萬元/臺左右，潤滑脂的采購價格一般800元/袋～1000元/袋，每個閥門一次注脂量約為每袋潤滑脂的1/3，每次開關閥門前必須進行注脂才能確保閥門開關靈活、密封良好。在使用全壽命周期內(nèi)，該閥門的成本一直是遞增的狀態(tài)。綜上所述，該閥門結構簡單可靠，密封性能良好，不足之處是整體經(jīng)濟性欠佳，而且使用頻率不高的狀態(tài)下也需要定期投入資金采購專用密封注脂做維護保養(yǎng)之用，對于國內(nèi)市場所面臨的客戶需求量大，儲罐使用頻繁的要求，使用該閥門會導致企業(yè)的成本飆升。

4 卸鈉閥的國產(chǎn)化

4.1 國產(chǎn)卸鈉閥和氮氣閥的需求

鑒于國內(nèi)金屬鈉市場需求的增長，應客戶要求，公司超過1萬t金屬鈉儲運的方式由傳統(tǒng)的桶裝固態(tài)金屬鈉包裝和銷售，外包裝規(guī)格φ560×970的金屬桶散裝模式變更為專用研發(fā)的33 m3罐箱形式。連帶著需要開發(fā)配套專用的卸鈉閥和氮氣閥。

選擇33 m3儲罐是經(jīng)過反復核算后確定的。該尺寸罐體的選擇過程中，公司充分考慮適用性和經(jīng)濟性，最大限度地利用集裝箱的標準尺寸，將罐體的直徑放大到極限，同時將罐體兩側適當加長，最終獲得最大單罐存儲量的同時保證集裝箱卡車公路運輸過程中不超載。

但是，由于罐箱直徑被放大，導致罐頂用于安裝閥門設備的空間非常有限，標準結構長度的閥門安裝在罐頂會超出集裝箱框體的邊界。這就使得閥門的結構長度必須要非常短才能正常安裝，而Flowserve Nordstrom的閥門因其結構長度比較長，不適合用在國產(chǎn)33 m3儲罐上。

所以，必須配套開發(fā)一種國產(chǎn)33 m3液態(tài)金屬鈉儲罐專用的卸鈉閥和氮氣閥。

4.2 國產(chǎn)卸鈉閥和氮氣閥的研發(fā)

在33 m3國產(chǎn)儲罐研發(fā)初始，公司考慮了使用國產(chǎn)的球閥作為卸鈉閥和氮氣閥的閥門形式。針對卸鈉閥具體的技術要求如下：

(1)閥體材質(zhì)采用美標304不銹鋼。

(2)閥球和閥座材質(zhì)采用美標A182 F51+炭化鎢噴涂。

(3)閥桿材質(zhì)采用A182 F51或A276 T316。

(4)閥門的壓力等級為ANSI class 150。

(5)閥門要求為全通徑雙向金屬密封。

(6)閥體結構長度不超過105 mm。

(7)閥門垂直安裝，與罐體側連接方式為4″150#法蘭，與盲板法蘭/卸鈉管道連接方式為2″ 150#法蘭。

(8)閥體帶高溫導熱油夾套，夾套的承壓能力為1.5×106Pa。

項目啟動于2017-01～2017-12經(jīng)與國內(nèi)某閥門廠協(xié)商，公司將首批八臺罐箱送達該廠。經(jīng)模擬實際工況條件對罐體和閥門做測試后，整體滿足使用條件遂接收。

使用球閥的主要原因是球閥可以將結構長度縮小到適合33 m3儲罐的程度，而且球閥不需要定期注脂以確保密封性能。金屬密封球閥的閥座有“刮刀”結構，可以在開關時將殘留在閥球表面的金屬鈉刮擦干凈，避免了如金屬鈉生產(chǎn)線上所使用的截止閥在閥芯和閥座處出現(xiàn)的“結焦”的現(xiàn)象。

4.3 使用中遇到扭矩飆升問題的探討和改進措施

該批罐箱在2018年初開始投入使用，以每周1次的頻率來往于公司與客戶之間運送金屬鈉。在罐體使用了近三個月后，閥門陸續(xù)出現(xiàn)開關扭矩飆升的問題。

經(jīng)與閥門廠家聯(lián)合調(diào)研發(fā)現(xiàn)，因技術要求閥門必須雙向密封，廠家對液態(tài)金屬鈉的特點又不夠熟悉，所以采用了浮動球閥的結構形式。該形式的閥門在使用過程中，閥門中腔有積存的金屬鈉存在，扭矩飆升是由于在高頻使用了兩到三個月之后，金屬鈉進入到閥座與閥座彈簧之間導致閥座與閥球之間到擠壓力增加所致。

經(jīng)閥門廠家技術人員在公司實地考察液態(tài)金屬鈉的特性，廠家提議將浮動球閥的形式更改為固定軸球閥+單側密封的形式。這樣做的理由是：

(1)純金屬鈉在融化狀態(tài)下的黏稠度不高，成稀薄的乳液狀態(tài)，流動性比較好，一旦在閥腔內(nèi)積存并固化可能會導致部分動部件的間隙被填充而出現(xiàn)卡澀，因此將閥門設計成單側閥座密封可以使閥中腔與下游聯(lián)通，保證閥門關閉后中腔內(nèi)的殘余液態(tài)金屬鈉可以通過重力作用擠壓排空。

(2)固定軸球閥的密封是通過閥座在系統(tǒng)介質(zhì)的壓力作用下擠壓閥球而獲得的，有別于浮動球閥，后者是通過系統(tǒng)壓力作用在閥球上，將閥球擠壓到閥座來獲得相應的密封比壓而獲得良好密封性能的。固定軸球閥的單側閥座如果設計成“雙活塞作用(DPE)”，則不論密封副左右哪邊壓力高，其合力的作用始終將閥座擠壓在閥球上。因此，靠單側閥座即可滿足閥門雙向密封的作用。

上述改進在2018-07～12的試用過程中表現(xiàn)良好，閥門密封嚴密，扭矩穩(wěn)定。隨后即將改型后的閥門定型并批量投入使用，在2018年到2020年底的2 a多時間內(nèi)使用情況良好。綜上所述，使用結果證明采用單側金屬密封(雙活塞作用閥座)的固定軸球閥作為卸鈉閥在一年甚至更長的時間里，以每周兩次使用的頻率，使用情況穩(wěn)定，無泄漏。

4.4 對于使用中遇到的短時間內(nèi)頻繁出現(xiàn)閥門外漏現(xiàn)象的問題分析和解決方案

從2020-12～2021-05，公司使用固定軸球閥的罐箱在終端用戶處連續(xù)出現(xiàn)了5次比較嚴重的閥門外漏現(xiàn)象。泄漏點覆蓋了所有使用氟橡膠密封圈的部位，包括：端蓋與閥體之間、閥球支撐軸與閥體之間，閥桿與閥體之間。

經(jīng)由公司技術人員赴現(xiàn)場服務發(fā)現(xiàn)閥門的氟橡膠密封圈出現(xiàn)了明顯的塑形變形。

公司技術人員赴終端客戶處現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，用戶在對液態(tài)金屬鈉罐箱加熱的過程中使用了過高的溫度。按照公司提供的操作規(guī)程，在給注滿金屬鈉的儲罐加熱以便抽取鈉的過程中，高溫導熱油的溫度應該控制在110 ℃～130 ℃左右，但是終端客戶采用的溫度多在180 ℃～190 ℃，甚至最高溫度曾經(jīng)達到過240 ℃，大大超過了操作規(guī)程中規(guī)定的溫度范圍。

雖然罐箱以及閥門的設計溫度要求是200 ℃，而且對于閥門來說，其使用的Viton，即氟橡膠。VITON是美國Dupont(杜邦)公司氟橡膠材料的商品名。雖然該材質(zhì)的使用溫度為零下50 ℃～200 ℃之間，但是200 ℃是其使用的極限溫度，一般短時間暴露在該溫度下，VITON密封圈不會立即軟化失效，長期且重復使用在接近極限使用溫度的工況條件下勢必造成材料的加速老化。

經(jīng)過分析，認為用戶是逐步提高導熱油溫度的，因此在該型號閥門初期使用的兩年內(nèi)(2018年到2020年上半年)，不論是老型號的閥門和升級改型之后的閥門都沒有外漏的問題出現(xiàn)，直到2020-11因用戶已經(jīng)將加熱溫度提升到接近或超過200度相當長一段時間后，密封圈老化到了發(fā)生塑形變形的程度后才陸續(xù)并且持續(xù)出現(xiàn)閥體外漏現(xiàn)象。

根據(jù)上述情況，考慮到用戶可能會持續(xù)使用高于200 ℃的加熱溫度，繼續(xù)使用VITON作為密封材質(zhì)是無法避免和解決閥門外漏的問題的，因此，建議采用耐溫性能更好的FFKM材質(zhì)替換原有的所有VITON密封圈。

Kalrez?即Dupont公司FFKM材料的全氟橡膠商品名。該材質(zhì)的耐溫極限為324 ℃左右。即便用戶的加熱溫度長期穩(wěn)定在240 ℃，該溫度距離FFKM的使用溫度極限還差80 ℃，完全沒有達到其加速老化的溫度范圍。因此，有理由相信，將所有的VITON密封圈更換為Kalrez(FFKM)密封圈，從而在不更改目前閥門的整體設計的前提下可以消除閥體外漏的問題。

該閥門研發(fā)初始為何未采用如FlowserveNordstrom的石墨密封的形式，這是因為33 m3儲罐的直徑過大，要求閥門的整體結構超短。常規(guī)的2″150#球閥的結構長度是178 mm，而此處特殊要求，結構長度僅僅是105 mm。

超短的結構長度和特殊的閥體結構使得端蓋和閥蓋與閥門法蘭的距離超近，受空間限制，在此處是無法放置使用石墨密封材質(zhì)所需的填料函的。

5 結束語

在公司液態(tài)金屬鈉儲罐上使用的帶高溫導熱油夾套的卸鈉閥有進口FlowserveNordstrom的金屬密封旋塞閥和國內(nèi)某廠生產(chǎn)的國產(chǎn)金屬密封球閥兩種。兩者的使用條件相同，但是使用的頻率相差很大，國產(chǎn)閥門的使用頻率是進口閥門的10倍～20倍。國產(chǎn)閥門有維護保養(yǎng)費用低，廠家售后及時，訂貨加工周期和現(xiàn)場服務響應時間短等優(yōu)勢。同時，國產(chǎn)閥門在使用材料等級高于進口閥門的前提條件下，價格不到進口閥門的50%。通過2 a的使用，公司在33 m3儲罐上使用國產(chǎn)閥門積累了一定的成功經(jīng)驗，同時也分析了國產(chǎn)密封材料提高設計溫度的選型后的效果肯定會得到預期的效果，國產(chǎn)閥門的研制和成功應用將會被實踐進一步證明。