船用LNG超低温阀门型式认可有关问题分析

2022-08-25吴文翔

船舶与海洋工程 2022年3期

吴文翔

（中国船级社武汉分社，湖北武汉 430022）

0 引言

自国内成功研制出船用液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）超低温阀门以来，该产品的市场开发日益繁荣。为提升船用LNG超低温阀门的质量，深入做好该产品的型式认可工作具有重要意义。从实践情况来看，目前该产品的型式认可还存在一些技术方面的问题，有的源于制定技术标准的依据不足，有的源于技术应用反馈积累不够。为促进船用LNG超低温阀门型式认可要求的落实，有必要对这些问题进行研究。

1 焊接的低温冲击韧性

在制造LNG超低温阀门过程中，焊接工作必不可少。当前针对超低温阀门奥氏体不锈钢的焊接工艺已有很多，焊接方法有钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊等，接头型式一般是对接。钨极氩弧焊使用的焊接材料是标准的低碳奥氏体不锈钢焊丝，在严格的气体保护下焊接成型效果较好，非金属夹杂较少，能获得良好的接头机械性能。钨极氩弧焊以外的其他焊接方法使用的焊接材料是控制铁素体系列奥氏体不锈钢焊材，通过控制焊缝金属冷却凝固时析出的数量合适、抗裂性强的δ铁素体相（美国焊接学会推荐指标3FN），达到降低焊缝的热裂纹敏感性，提高接头的冲击韧性的目的。奥氏体不锈钢焊接接头的超低温韧性通过液氮冷却的冲击试验检测，要求夏比V型缺口标准试样承受的冲击功大于40 J/cm，横向膨胀量大于0.38 mm。横向膨胀量是需注意的指标，最早由ASME（American Society of Mechanical Engineers）标准提出，目前已被LNG行业广泛接受，旨在全面考核奥氏体不锈钢的超低温冲击韧性。由于冲击试样承受的冲击功主要消耗在材料塑性变形和裂纹的扩展与断裂上，若只看冲击功而不管材料的塑性变形，有可能出现试样的冲击功虽满足要求，但其塑性变形不达标，仍被判合格的情况，使零件在使用过程中产生安全隐患。

2 制造中的无损检测

无损检测是检查产品内部有无缺陷的重要手段。无损检测内容是GB/T 24925—2019 修改的重点之一，从2020 年5 月起正式实施，是今后根据该标准落实船用LNG超低温阀门型式认可要求的重要抓手。

船用LNG超低温阀门无损检测项目和要求见表1。通过无损检测发现的缺陷按以下原则处理：

表1 船用LNG超低温阀门无损检测项目和要求

1）锻件材料存在缺陷不应焊补，一般予以更换；

2）铸件材料缺陷的清除和焊补修复应符合JB/T 7248 的规定，但对于存在蜂窝状气孔、成品试压渗漏且焊补之后无法保证质量、同一部位补焊超过2 次、按图纸或订货合同规定不允许存在的缺陷，均不应焊补，作报废处理。

3 超低温阀门的密封性能

超低温阀门的密封性能是型式试验考察的重点，通过常温、压力条件下的壳体强度试验和密封试验、阀座密封试验和气密试验，以及低温、压力条件下的壳体泄漏试验和阀座泄漏试验进行全面的检测验证。关于阀门的密封性能要求，目前的共识是在常温环境下不允许泄漏，在超低温环境下可极微量泄漏，即：在冷态工作压力下持续900 s，填料密封处泄漏量不超过100 ppmv，法兰垫片处泄漏量不超过50 ppmv。在内泄漏方面，目前的技术标准要求尚不一致，有的允许，有的不允许（相关标准对比见表2）。表2 中，DN 为阀门公称直径，单位为mm。外泄漏是指压力边界壁与任何固定阀体结合处的渗漏和阀杆上密封处的渗漏；内泄漏是指阀座密封面的渗漏。内泄漏虽然不会直接引发危险，但会降低阀门的功效，并使阀内零件的工作环境恶化，影响阀门的使用寿命。鉴于船上环境的特殊性，阀门失效被认为是导致LNG 船产生火灾风险的关键因素，因此尽管彻底克服阀门内泄漏比较困难，这仍是船用LNG超低温阀门质量提升的目标。减少阀门内泄漏的主要途径是提高阀座密封副的质量和保持适当的密封比压。密封副的加工精度越高，密封面的吻合度越高，内泄漏越少。以球阀为例，球体的圆度至少达到9 级，密封面的表面光洁度要在▽10 级以上。保持阀座密封比压的关键是在超低温环境下提供比压补偿，通常借助预紧弹簧的回复力实现。适当地进行比压补偿设计可使阀座的密封比压在液氮温度下达到18 MPa，有效防止阀座出现内泄漏。当然，密封比压并不是越高越好，其上限不能超过材料的许用比压，否则会造成密封面局部变形并影响密封面的吻合度。这些都是超低温阀门型式认可中图纸审查的关注点。

表2 不同技术标准的阀座密封面泄漏要求对比

4 阀门耐火性能

耐火性是船用LNG超低温阀门的显著特点。为达到耐火性能要求，在选取阀门的密封材料和设计密封结构时需专门考虑耐火性要求。对于密封材料，除了橡胶类材料和有机高分子材料以外，需增加石墨类材料，以提高其高温密封效果。密封结构的设计要点是：中法兰及其紧固件、垫片防止因材料高温蠕变导致压紧力不足；金属阀座避免因热变形而与阀体卡滞；非金属阀座增设二次密封面；阀腔具有泄压结构，避免腔体内压力急剧升高。阀门的耐火性能通过标准耐火试验测定。ISO 10497：2010 和API 607—2010 针对耐火试验的准则、方法和阀门耐火性能的要求与评定作出了明确的规定。GB/T 26479—2011 与这些标准的要求保持一致。需说明的是，这些标准是针对软阀座阀门提出的，对于普遍采用硬阀座的船用LNG 超低温阀门来说可借鉴，但某些细节（例如泄漏量指标）还需进一步明确。

5 低温循环寿命试验

欧盟关于液化天然气阀门的技术标准EN 12567—2000 提出了阀门低温循环寿命试验（以下简称“寿命试验”）的要求。现行国际标准ISO 28921-2：2015 在超低温阀门的型式试验中也规定了寿命试验的相关内容。虽然二者关于寿命试验的具体规程有所不同，但试验目的是一致的，即通过测试了解产品的寿命特征和失效规律，对产品的可靠性水平进行评价。通常情况下，这种测试是通过一定次数的阀门启闭循环操作和该过程中的系列检测完成的。早期的技术标准规定的阀门启闭循环次数较多，例如EN 12567—2000 规定“等级为I级的阀门寿命试验启闭循环2 000 次，等级为II级的阀门寿命试验启闭循环500 次”。近几年出台的某些技术标准减少了启闭循环次数，例如ISO 28921-2：2015 规定“阀门寿命试验共进行205 次启闭循环，分阶段进行”。GB/T 24925—2019 关于阀门启闭循环次数的规定与ISO 28921-2：2015 基本相当。阀门密封副频繁启闭会造成磨损并影响其密封性能，但采用硬密封的阀座在试验初期磨合之后可改善密封面，配合提升密封效果（见表3）。因此，阀门启闭循环的次数要合理，次数过多没有必要，次数过少不利于对阀门的密封性能作出准确的检测。在阀门寿命试验中，在启闭循环次数不多的情况下，若未发现失效现象，对其可靠性进行评估涉及无失效数据情形下的可靠性分析问题。当前有关无失效数据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，假设产品的使用寿命服从双参数Weibull 分布，且其形状参数和尺度参数可根据产品既往的实践反馈信息分析求得，则通过寿命试验可求得某置信度下设定可靠度的产品的使用寿命或某置信度下的设定产品使用寿命的可靠度。若产品的先验信息不足，Weibull分布的形状参数和尺度参数不确定，也可根据寿命试验数据，采用最小二乘法进行参数估算，进而求取产品的使用寿命或其可靠度的相应单侧置信限。后一种估计的精确性相对较差。因此，阀门寿命试验中启闭循环次数减少，对产品既往使用的先验信息提出了更高的要求，客观上有利于发达国家的先进产品借助以往积累的产品使用寿命信息，在可靠性评估中继续保持优势，形成对新产品的竞争壁垒。这是在借鉴和转化国际技术标准时需关注的问题。