LNG 接收站進口低溫球閥泄漏故障維修及優化研究

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

低溫球閥具有結構緊湊、易于操作和維修等特點，據不完全統計，在液化天然氣（LNG）接收站應用的各類閥門中，低溫球閥的數量占比高達60%以上，應用極為廣泛。接收站超低溫閥門的過流介質LNG 具有分子量小、粘度低、浸透性強的特點，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 接收站投產運行以來，主要高壓工藝管線上的低溫球閥頻發生內漏、外漏等故障，對接收站生產運行和設備檢修、隔離吹掃等帶來較大挑戰。

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，低溫球閥內漏和外漏現象尤為突出，應用規格為10 英寸8 英寸CL1500 的低溫變徑球閥，閥門品牌POYAM，管道介質LNG，工作溫度為-162，最高工作壓力約11 MPa，結構型式為上裝式固定球閥（圖1）。和側裝式球閥相比，上裝式球閥維修時不需要將整個閥門從管道上拆下來即可取出閥球和閥座，實現了閥球、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重內漏、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）。嚴重內漏造成下游LNG 氣化設備無法有效隔離，閥門切斷功能失效，干擾設備運行和檢修；閥門外漏時LNG大量氣化，極易引發天然氣爆燃，造成嚴重風險隱患。因此有必要對該類故障閥門進行解體檢修維護，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施了有效的能量隔離的前提下，對故障閥門開展了在線解體檢修。

圖1 低溫球閥外觀結構

圖2 低溫球閥漏點示意

2.1 內漏原因檢查和分析

拆下并吊出閥蓋后解體檢查，發現閥腔內壁、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構基本完整。由此推斷閥門內漏的直接原因是聚三氟氯乙烯（PCTFE）材質的閥座密封環受異物機械劃傷造成的關鍵密封貫穿失效。

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，過流介質LNG 腐蝕性低，通常低溫球閥的閥腔內應相對潔凈，而從拆檢時發現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后，未能對管線和閥門進行徹底的排凈和吹掃，導致閥腔存留積水、浮銹、金屬粉塵和焊渣等雜物。在低溫工況下球閥的閥腔、球體兩側的溝槽積水結冰，與混雜的銹渣等同時附著在球體和閥座周邊，每當閥門進行開關動作時極易誘發閥座軟密封面嚴重劃傷，并致使閥座軟密封性能持續惡化。

圖3 拆檢發現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形八角墊密封型式，閥蓋和閥體頂部開設墊槽，通過緊固閥蓋與閥體間的連接螺栓形成的預緊力實現閥體的有效密封。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，靠墊圈與墊槽的內外斜面接觸，通過緊固閥蓋與閥體間的連接螺栓形成的預緊力實現閥體的有效密封。墊圈與墊槽斜面的角度一般均為23。參考API 6A 標準，這種密封型可承受壓力高達68.9 MPa。檢查發現八角墊環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構完整性之間沒有直接的相關性。

閥球的泄壓孔位于球體正上方的閥桿定位槽內，當閥位由全關開至全開時，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，導致閥體各部位冷縮變形速度差異較大，因不均勻變形誘發閥蓋處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行預緊，使填料在低溫時的預緊力能得到連續補償，從而保證填料密封性能長期有效。

自LNG 接收站投運以來，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、老化等異常現象，與填料接觸的閥桿處的粗糙度Ra0.4m，由此推斷導致填料壓蓋處天然氣外漏與該位置密封結構完整性之間沒有直接因果關系。在高壓狀態下，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，難以有效滿足站場閥門的密封需求。

3 預防和改進措施

3.1 規范閥門安裝流程

規范的閥門安裝、試壓和吹掃流程對低溫閥門的后期可靠運行極為重要。閥門安裝前，應檢查確認管道、閥門流道內是否在積液、銹渣、焊渣等異物，如果存在應清理后再焊接安裝。閥門焊接時應將閥位設置在全開狀態，以避免可能的鐵屑、焊渣等異物對閥球密封面的不良影響。

圖5 檢修時從低溫球閥取下的舊填料

由于接收站機械完工驗收前管道壓力試驗采用水壓試驗，低溫閥門密封填料會因進水失效，試壓后閥門的吹掃工作也比較困難，如果吹掃不徹底，投入使用后雜質和冰渣極易會劃傷密封面，導致閥門內漏[2]。因此水壓試驗后，應對管道進行徹底的排凈和吹掃，確保管線內無積液或固體雜物。為避免水壓試驗后閥腔因進水而無法徹底排凈，應在水壓試驗后打開閥門底部排凈絲堵確認積水排凈。

3.2 緊固閥蓋連接螺栓或更換密封環

在生產應用過程中，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，適用標準為《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。

當閥蓋處泄漏量較大或多次提高緊固力矩緊固依然無效時，不應再盲目繼續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；應對閥門解體后，細致檢查閥門密封墊環和對應的密封槽是否存在機械損傷或缺陷，檢查八角墊和密封槽中徑尺寸是否一致，并更換八角墊環或修復受損密封槽。

3.3 優化填料壓蓋處密封結構型式

為提升低溫球閥填料處的密封性能，對密封結構進行優化改進：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+2 層柔性石墨密封的多重組合密封形式（圖6）。O 形環的內外兩側各配置1 個O 形圈，實現閥桿和內孔間的有效密封。O 形圈的溫度適用范圍可達-50，滿足現場使用工況要求。密封結構形式改進解決了閥桿填料壓蓋處長期普遍泄漏天然氣的隱患，實際應用效果良好。

4 低溫球閥零部件國產化的建議

目前應用的進口低溫球閥的PCTFE 材質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，這種設計型式優點是避免了PCTFE 的密封圈產生冷流變形；缺點是在閥門檢修時，即便閥座基體依然完好但不能單獨更換閥座密封件，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

圖7 閥座密封圈和基體的連接形式示意

進口低溫球閥在國內的LNG 接收站有較大的保有量[3]，結合中石油、中石化和中海油的LNG 項目分析，高壓大口徑低溫球閥應用較多的是POYAM 等進口品牌。當前在進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，僅單套進口低溫高壓球閥的備件的進口費用即高達數十萬元，到貨周期長達數月，使閥門檢修的靈活性受到一定制約。鑒于目前國內閥門企業在低溫材料制造加工、閥門密封等零部件的設計制造方面已取得顯著進展，宜在保障質量可控的前提下，逐步開展零部件的國產化替代和升級改造，從而大幅降低閥門備件采購費用，優化控制低溫球閥的維修成本。

圖8 閥座實體

5 結論

通過對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，針對當前LNG 接收站應用的低溫球閥內漏、閥蓋外漏、閥桿外漏等泄漏的故障特點，提出了針對性的意見和優化措施，在實際應用中取得了較好成效，具有較強的實際應用價值。由于該類低溫球閥在國內LNG 接收站的保有量較大，預期對同類閥門的維修和國產化應用有廣泛的借鑒意義。