浅谈低温深冷LNG工况中顶装式三偏心蝶阀的优劣

        在LNG行业中，依据相关国际标准，如EN 1473或NFPA 59A，以及当地法规(尤其是LNG罐区)，最终用户已经普通接受低温深冷阀采用对焊BW连接方式与管道相连，用户指定阀门采用法兰连接的情况已经很少。在阀体焊接到管道上成为普及的解决方案时，问题也随之而来，阀门出现故障时如何检修？操作人员如何更换关键部件？

        三偏心阀的设计非常适合深冷应用

        三偏心阀采用三个偏心设计，因其金属对金属扭矩密封、90度旋转全行程无摩擦的特性，实现真正意义上的双向零泄漏性能，即按照现行的国际标准，在高压水测试和低压空气测试下均无可见的泄漏。它的免维护内件设计(密封结构中没有任何软材料)，使其拥有超长寿命并几乎不需要维护。

        低温三偏心阀是一种带有延长阀盖和弹性实心金属密封圈的阀门，使用的密封圈是由高耐腐蚀材料Nitronic 50超级奥氏体不锈钢制成，它在低温下的强度比我们常规的奥氏体不锈钢316要高出2~4倍，能够在极低温度下保证机械特性。


        什么是正顶装和侧顶装设计

        三偏心阀(TOV)在LNG行业应用上的设计本着降低逸散性外漏风险和全生命周期维修任务的便利性和安全性，从最初的双法兰，到对焊连接，再升级到正顶装式对焊阀体设计，如下图1。

        正顶装式阀的阀板采用上装结构，需要将阀内件在外部进行维护以及易损件的更换时，整个阀板阀杆以及阀板上的密封圈都可以从阀体上部吊装出阀体内部，也就是阀门无需从管道上切割下来，就可以进行阀内件、阀杆、阀板、密封圈、轴承的维修和更换。

        侧顶装式阀如图2，采用的是常规阀板侧装方式，加长一端阀体长度，在其上方开一监测孔(通常俗称检修口)。当阀门与管道焊接连接后，阀内件无法从阀体上方抽出，维修和更新内件需要从监测孔内进行操作。

        这种设计的缺点在于：

        阀座通常为 316奥氏体不锈钢，经渗氮硬化，渗氮层的厚度通常只有20微米。而正顶装阀门常规采用耐磨、较高弹性的Stellite堆焊层作为阀座，厚度达到2.5毫米，能够有效消除机械故障、并长时间地维持阀门的低泄漏，达到全生命周期免维护。侧顶装式多采用多层石墨层压密封圈，石墨材料在低温下会变得易碎，而且，石墨在低温下的收缩系数比不锈钢小2~3倍，意味着低温工况下，石墨会被挤出不锈钢密封层。

        侧顶装阀门暴露在介质中的螺栓数量比整体阀座型增加了一倍多，这就需要更加特殊地采取有效防止螺栓松动的措施。总的来说，这种设计造成密封部件容易损坏，因此必须进行定期维护。

        由于阀内件无法抽出，维修人员探身或进入监测孔进行维修，如图3和4所示。不但直接暴露在安全风险中(因为介质是LNG有毒气体会造成风险更大，人吸进纯LNG，迅速失去知觉，几分钟就会造成死亡)，且大口径阀门的内件更换很难完成(监测孔小且不方便操作)。

        试想一下当工作人员维修有害气液体介质的高压、大口径侧顶装式阀门时，人员要佩戴防毒面具、要采取特殊安全措施和持续监测供氧；如果出现意外加压、阀门意外动作以及重型部件的拆除情况，这个工作难度不言而喻。

图3 大口径侧顶装式阀的维修示意图

        顶装设计的阀门能实现在线维护吗?

        如上所述，侧顶装阀旁边的检修口最大的功能是检查观测孔，英文称为Inspection door。来源于LNG船的维修人员进行日常巡检时，用一镜子伸到孔中观测阀门是否严密关断。如果阀体和阀板密封圈有泄漏，就会存在间隙，在镜子中就会有光线。

        监测孔的“在线检修”是很难实现的：

        DN400口径及以下的阀门，监测孔的尺寸很小。例如：DN200的阀门，其矩形监测孔的内径长x宽约为200*100mm，如图5所示。在如此狭窄的空间内用手和工具来更换阀内件，等同于盲操作。再加上阀板密封圈和阀座密封圈的螺栓往往有放松措施以防止螺栓松落，这种防松螺栓的盲操作使拆卸动作更是难上加难。

        大口径阀门，如DN600-DN1050，从检修口边沿到阀座密封圈最下沿的距离(如图6的长度A)约为800-1200mm。而通常人胳膊长度(如图6的长度B)为600-700mm，意味着人手从监测孔伸入阀体内后是无法够到阀体根部的阀座密封圈螺栓从而进行拆卸。

        超大口径阀门，如DN1100，如图3/4所示，维修人员必须钻到管道内进行维护，这可能对人员安全形成巨大风险。

        对于大口径和超大口径阀门，一个阀板密封圈压盖的重量往往也不是一个人能够靠双手来实现搬运的。而侧顶装式阀的设计使吊装设备也很难发挥作用。阀门密封面距离检修口还有一段距离，这意味着操作更困难。从图3和4可以看出，通过侧顶装的检修口来进行维修是多么的不安全和困难。

        另外，侧顶装阀在维修时也是需要将执行机构卸掉，以避免阀门误动作对维修人员造成伤害，如图5右。

图5 侧顶装式阀的“在线维修”

        在满足外漏测试ISO 15848-1标准下，正顶装型式与侧顶装型式的优劣势

        按照ISO 15848-1的规定，挥发性物质外漏的测试包括阀体阀盖的密封，和填料处的密封。对于侧顶装式阀，阀体阀盖必须包括阀体阀盖处的泄漏量以及维护口的泄漏量，两者相加的最高值不能超过50PPM，如图7所示；而正顶装只有阀体阀盖一处泄漏点，如图8所示。

图7 侧顶装式阀的外漏点包括阀盖和维护口

        正顶装提升阀板阀盖时，是不需要动填料的，不会破坏ISO 15848-1或者TA-LUFT认证的阀杆密封填料系统。而且阀杆填料压盖的螺栓扭矩是在阀门维护过程中需要时时监控的。随着管道系统的紧凑设计带来的整体管道振动，会引起填料压盖螺栓的松动。在ISO 15848-1的测试中，明确规定填料测试是允许填料压盖螺栓的紧固的，紧固的次数用SSA NO.记录在报告上。而正顶装的阀盖提升更换密封圈以及维护等动作对于阀体阀盖连接法兰的动作，这一点和侧顶装的维护人孔的动作是一样的。


        侧顶装式阀的检修口增加了泄漏渠道

        正顶装结构还避免了侧顶装结构下额外增加的侧装检修口法兰所带来的另一个泄漏渠道。而且也减少了绝热保护的管道压力容器由于过多法兰连接而造成的冷损失。

        NFPA 59A LNG生产储存及操作标准(危险评价)和EN1473 LNG岸上设备安装及设计(安全限制值、安全要素)中明确规定“顶装结构大大减少了法兰连接的数量，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、扩散、爆炸、燃烧、超压、中毒、加热蒸发等危险因素的防范 – 安全措施和安全技术要求”。

        侧顶装结构不但没有减少法兰数量，而且还在原有的阀门设计结构上增加了检修口的法兰数量，达到3个，如图9左侧红圈。而正顶装的法兰数量只有1个(底部端盖焊死)，如图9右侧红圈。

        结论

        几十年来，Vanessa三偏心蝶阀集多年阀门专业知识并与LNG客户深入沟通，对LNG低温深冷三偏心阀的设计不断进行优化，之所以推荐使用正顶装对焊三偏心阀，正在从现场实践经验中发现，在保证双向零泄漏、无阀腔设计、全金属结构、很低/零维护需求的同时，全生命周期维护的安全、便利和维护成本低也是客户考虑的重中之重。

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