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(shù)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(lái)灌注和抽取液化金屬鈉的虹吸管頂部法蘭上的專(zhuān)用閥門(mén)。每臺(tái)金屬鈉罐式集裝箱的頂部設(shè)置兩臺(tái)帶有高溫導(dǎo)熱油夾套的卸鈉閥、兩臺(tái)加注和排放氮?dú)獾姆菉A套閥門(mén)，以此形成一備一用兩套閥門(mén)裝置來(lái)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(mén)閉鎖不嚴(yán)將使金屬鈉泄露，會(huì)導(dǎo)致爆燃等危險(xiǎn)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?dú)忾y位置關(guān)鍵，技術(shù)要求高，在進(jìn)口的21 m3儲(chǔ)罐(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)20″集裝箱)上采用原裝進(jìn)口的美國(guó)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(jiǎn)介

如圖1所示，罐式集裝箱(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“罐箱”)是按照標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的尺寸將儲(chǔ)罐安放在鋼架構(gòu)成的框架內(nèi)，以便使用公路或海運(yùn)將介質(zhì)在兩地直接輸送的專(zhuān)用儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備。

針對(duì)液態(tài)金屬鈉罐式集裝箱來(lái)說(shuō)，金屬鈉要在融化狀態(tài)下以液態(tài)形式進(jìn)行灌裝、抽取的操作。有別于其他輸送液體的儲(chǔ)罐，介質(zhì)在灌注、運(yùn)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(guò)程中通過(guò)高溫導(dǎo)熱油加熱保持液態(tài)，而運(yùn)輸過(guò)程中則經(jīng)冷卻后金屬鈉始終保持固態(tài)。同時(shí)，金屬鈉罐箱有別于其他物料儲(chǔ)罐的卸料閥門(mén)和管道設(shè)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(kāi)口安裝虹吸管來(lái)實(shí)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(guò)程中需要通過(guò)高溫導(dǎo)熱油管路對(duì)整個(gè)罐體以及閥門(mén)加熱，使金屬鈉充分受熱融化成為液態(tài)，同時(shí)要保證罐體內(nèi)沒(méi)有被液態(tài)金屬鈉占據(jù)的空間充滿的是惰性氣體—氮?dú)?，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(diǎn)在常壓下是97.8 ℃，在沒(méi)有惰性氣體保護(hù)的條件下，對(duì)金屬鈉加熱超過(guò)該溫度就會(huì)發(fā)生氧化并出現(xiàn)冒白煙的情況。一般在有氮?dú)膺@種惰性氣體保護(hù)的條件下，對(duì)金屬鈉的加熱油溫控制在110 ℃～130 ℃。

(3)根據(jù)使用手冊(cè)，在裝載和卸載時(shí)，高溫導(dǎo)熱油的溫度應(yīng)保持在110 ℃～130 ℃左右。雖然罐體以及附件的設(shè)計(jì)溫度極限為200 ℃，但即便是短時(shí)間內(nèi)也盡量避免導(dǎo)熱油溫度升高至180 ℃～190 ℃。長(zhǎng)期高頻率地把導(dǎo)熱油溫度提升至設(shè)計(jì)極限，有很高概率可能導(dǎo)致罐體強(qiáng)度銳減以及閥門(mén)的密封失效等嚴(yán)重的問(wèn)題出現(xiàn)。

(4)金屬鈉的裝載和卸載都是通過(guò)安裝在虹吸管頂部法蘭上的帶夾套的閥門(mén)完成，非夾套的閥門(mén)是用來(lái)補(bǔ)充或排放保護(hù)性氣體—氮?dú)狻?/p>

(5)裝載時(shí)，金屬鈉在重力作用下自由流淌注入罐體，氮?dú)馔ㄟ^(guò)氮?dú)忾y排出罐體；卸載時(shí)，通過(guò)抽取或氮?dú)饧訅悍绞剑瑢⒁簯B(tài)的金屬鈉通過(guò)虹吸管和夾套閥門(mén)排出罐體。

(6)液態(tài)金屬鈉罐箱專(zhuān)用閥門(mén)使用工況的特點(diǎn)：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(dǎo)熱油夾套。

2.3 使用要求

(1)液態(tài)金屬鈉專(zhuān)用閥門(mén)為開(kāi)關(guān)兩位的手動(dòng)關(guān)斷閥；

(2)閥門(mén)需要雙向密封，在0 MPa～0.15 MPa的氮?dú)庾饔孟拢y座應(yīng)達(dá)到ASME b16.104/FCI 70-2規(guī)定的V極泄漏水平；

(3)閥門(mén)主要材質(zhì)的選擇應(yīng)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(yīng)形成金屬間化合物；

(4)閥門(mén)形式的選擇和密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要滿足液態(tài)金屬鈉的流通要求，避免因鈉金屬凝固導(dǎo)致的閥門(mén)卡澀或卡死現(xiàn)象。

3 進(jìn)口卸鈉閥在21 m3儲(chǔ)罐上的應(yīng)用

3.1 進(jìn)口閥門(mén)的結(jié)構(gòu)形式

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

為了保證氣體和金屬鈉介質(zhì)的零泄漏，該閥門(mén)每使用2次～3次之后，或者長(zhǎng)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(jié)構(gòu)形式的旋塞閥必備的輔材，這是因?yàn)樾y的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所限，無(wú)法保證密封閥的金屬接觸面嚴(yán)絲合縫的接觸，所以除了軟密封形式的旋塞閥以外，金屬對(duì)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(lái)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(lèi)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(jìn)口的液態(tài)金屬鈉儲(chǔ)罐上配套的美國(guó)Flowserve Nordstrom公司金屬密封旋塞閥有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性能良好的特點(diǎn)。

3.2 進(jìn)口閥門(mén)的使用狀況

中鹽內(nèi)蒙古化工股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“公司”)使用FlowserveNordstrom閥門(mén)的進(jìn)口儲(chǔ)罐一般是用于金屬鈉的出口業(yè)務(wù)，需將成品鈉裝罐后通過(guò)海運(yùn)方式運(yùn)輸?shù)絿?guó)外客戶(hù)手中，1 a使用頻率約為2次/臺(tái)罐箱(美國(guó)客戶(hù))，即閥門(mén)需開(kāi)關(guān)使用4次左右。在以前的使用經(jīng)驗(yàn)中沒(méi)有出現(xiàn)閥門(mén)卡澀和內(nèi)漏的狀況，可靠性還是不錯(cuò)的。

鑒于罐體在空置狀態(tài)下也必須保證罐內(nèi)充有保護(hù)性氣體以免存留的余鈉接觸空氣而發(fā)生氧化反應(yīng)導(dǎo)致危險(xiǎn)狀況出現(xiàn)，因此該閥門(mén)需要定期補(bǔ)充密封加注油脂。該注脂為Flowserve公司專(zhuān)用輔材，需要定期購(gòu)買(mǎi)，且價(jià)格比較昂貴，國(guó)內(nèi)找不到替代產(chǎn)品，因此維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用較高。

除此以外，該閥門(mén)的采購(gòu)成本比較高，閥門(mén)采購(gòu)價(jià)格一般在5萬(wàn)元/臺(tái)左右，潤(rùn)滑脂的采購(gòu)價(jià)格一般800元/袋～1000元/袋，每個(gè)閥門(mén)一次注脂量約為每袋潤(rùn)滑脂的1/3，每次開(kāi)關(guān)閥門(mén)前必須進(jìn)行注脂才能確保閥門(mén)開(kāi)關(guān)靈活、密封良好。在使用全壽命周期內(nèi)，該閥門(mén)的成本一直是遞增的狀態(tài)。綜上所述，該閥門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，密封性能良好，不足之處是整體經(jīng)濟(jì)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(gòu)專(zhuān)用密封注脂做維護(hù)保養(yǎng)之用，對(duì)于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所面臨的客戶(hù)需求量大，儲(chǔ)罐使用頻繁的要求，使用該閥門(mén)會(huì)導(dǎo)致企業(yè)的成本飆升。

4 卸鈉閥的國(guó)產(chǎn)化

4.1 國(guó)產(chǎn)卸鈉閥和氮?dú)忾y的需求

鑒于國(guó)內(nèi)金屬鈉市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，應(yīng)客戶(hù)要求，公司超過(guò)1萬(wàn)t金屬鈉儲(chǔ)運(yùn)的方式由傳統(tǒng)的桶裝固態(tài)金屬鈉包裝和銷(xiāo)售，外包裝規(guī)格φ560×970的金屬桶散裝模式變更為專(zhuān)用研發(fā)的33 m3罐箱形式。連帶著需要開(kāi)發(fā)配套專(zhuān)用的卸鈉閥和氮?dú)忾y。

選擇33 m3儲(chǔ)罐是經(jīng)過(guò)反復(fù)核算后確定的。該尺寸罐體的選擇過(guò)程中，公司充分考慮適用性和經(jīng)濟(jì)性，最大限度地利用集裝箱的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，將罐體的直徑放大到極限，同時(shí)將罐體兩側(cè)適當(dāng)加長(zhǎng)，最終獲得最大單罐存儲(chǔ)量的同時(shí)保證集裝箱卡車(chē)公路運(yùn)輸過(guò)程中不超載。

但是，由于罐箱直徑被放大，導(dǎo)致罐頂用于安裝閥門(mén)設(shè)備的空間非常有限，標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的閥門(mén)安裝在罐頂會(huì)超出集裝箱框體的邊界。這就使得閥門(mén)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度必須要非常短才能正常安裝，而Flowserve Nordstrom的閥門(mén)因其結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，不適合用在國(guó)產(chǎn)33 m3儲(chǔ)罐上。

所以，必須配套開(kāi)發(fā)一種國(guó)產(chǎn)33 m3液態(tài)金屬鈉儲(chǔ)罐專(zhuān)用的卸鈉閥和氮?dú)忾y。

4.2 國(guó)產(chǎn)卸鈉閥和氮?dú)忾y的研發(fā)

在33 m3國(guó)產(chǎn)儲(chǔ)罐研發(fā)初始，公司考慮了使用國(guó)產(chǎn)的球閥作為卸鈉閥和氮?dú)忾y的閥門(mén)形式。針對(duì)卸鈉閥具體的技術(shù)要求如下：

(1)閥體材質(zhì)采用美標(biāo)304不銹鋼。

(2)閥球和閥座材質(zhì)采用美標(biāo)A182 F51+炭化鎢噴涂。

(3)閥桿材質(zhì)采用A182 F51或A276 T316。

(4)閥門(mén)的壓力等級(jí)為ANSI class 150。

(5)閥門(mén)要求為全通徑雙向金屬密封。

(6)閥體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度不超過(guò)105 mm。

(7)閥門(mén)垂直安裝，與罐體側(cè)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(dǎo)熱油夾套，夾套的承壓能力為1.5×106Pa。

項(xiàng)目啟動(dòng)于2017-01～2017-12經(jīng)與國(guó)內(nèi)某閥門(mén)廠協(xié)商，公司將首批八臺(tái)罐箱送達(dá)該廠。經(jīng)模擬實(shí)際工況條件對(duì)罐體和閥門(mén)做測(cè)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(jié)構(gòu)長(zhǎng)度縮小到適合33 m3儲(chǔ)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(jié)構(gòu)，可以在開(kāi)關(guān)時(shí)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(jié)焦”的現(xiàn)象。

4.3 使用中遇到扭矩飆升問(wèn)題的探討和改進(jìn)措施

該批罐箱在2018年初開(kāi)始投入使用，以每周1次的頻率來(lái)往于公司與客戶(hù)之間運(yùn)送金屬鈉。在罐體使用了近三個(gè)月后，閥門(mén)陸續(xù)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)扭矩飆升的問(wèn)題。

經(jīng)與閥門(mén)廠家聯(lián)合調(diào)研發(fā)現(xiàn)，因技術(shù)要求閥門(mén)必須雙向密封，廠家對(duì)液態(tài)金屬鈉的特點(diǎn)又不夠熟悉，所以采用了浮動(dòng)球閥的結(jié)構(gòu)形式。該形式的閥門(mén)在使用過(guò)程中，閥門(mén)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(gè)月之后，金屬鈉進(jìn)入到閥座與閥座彈簧之間導(dǎo)致閥座與閥球之間到擠壓力增加所致。

經(jīng)閥門(mén)廠家技術(shù)人員在公司實(shí)地考察液態(tài)金屬鈉的特性，廠家提議將浮動(dòng)球閥的形式更改為固定軸球閥+單側(cè)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(dòng)性比較好，一旦在閥腔內(nèi)積存并固化可能會(huì)導(dǎo)致部分動(dòng)部件的間隙被填充而出現(xiàn)卡澀，因此將閥門(mén)設(shè)計(jì)成單側(cè)閥座密封可以使閥中腔與下游聯(lián)通，保證閥門(mén)關(guān)閉后中腔內(nèi)的殘余液態(tài)金屬鈉可以通過(guò)重力作用擠壓排空。

(2)固定軸球閥的密封是通過(guò)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(dòng)球閥，后者是通過(guò)系統(tǒng)壓力作用在閥球上，將閥球擠壓到閥座來(lái)獲得相應(yīng)的密封比壓而獲得良好密封性能的。固定軸球閥的單側(cè)閥座如果設(shè)計(jì)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(cè)閥座即可滿足閥門(mén)雙向密封的作用。

上述改進(jìn)在2018-07～12的試用過(guò)程中表現(xiàn)良好，閥門(mén)密封嚴(yán)密，扭矩穩(wěn)定。隨后即將改型后的閥門(mén)定型并批量投入使用，在2018年到2020年底的2 a多時(shí)間內(nèi)使用情況良好。綜上所述，使用結(jié)果證明采用單側(cè)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(zhǎng)的時(shí)間里，以每周兩次使用的頻率，使用情況穩(wěn)定，無(wú)泄漏。

4.4 對(duì)于使用中遇到的短時(shí)間內(nèi)頻繁出現(xiàn)閥門(mén)外漏現(xiàn)象的問(wèn)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(hù)處連續(xù)出現(xiàn)了5次比較嚴(yán)重的閥門(mén)外漏現(xiàn)象。泄漏點(diǎn)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(shù)人員赴現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)發(fā)現(xiàn)閥門(mén)的氟橡膠密封圈出現(xiàn)了明顯的塑形變形。

公司技術(shù)人員赴終端客戶(hù)處現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，用戶(hù)在對(duì)液態(tài)金屬鈉罐箱加熱的過(guò)程中使用了過(guò)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(chǔ)罐加熱以便抽取鈉的過(guò)程中，高溫導(dǎo)熱油的溫度應(yīng)該控制在110 ℃～130 ℃左右，但是終端客戶(hù)采用的溫度多在180 ℃～190 ℃，甚至最高溫度曾經(jīng)達(dá)到過(guò)240 ℃，大大超過(guò)了操作規(guī)程中規(guī)定的溫度范圍。

雖然罐箱以及閥門(mén)的設(shè)計(jì)溫度要求是200 ℃，而且對(duì)于閥門(mén)來(lái)說(shuō)，其使用的Viton，即氟橡膠。VITON是美國(guó)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(shí)間暴露在該溫度下，VITON密封圈不會(huì)立即軟化失效，長(zhǎng)期且重復(fù)使用在接近極限使用溫度的工況條件下勢(shì)必造成材料的加速老化。

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為用戶(hù)是逐步提高導(dǎo)熱油溫度的，因此在該型號(hào)閥門(mén)初期使用的兩年內(nèi)(2018年到2020年上半年)，不論是老型號(hào)的閥門(mén)和升級(jí)改型之后的閥門(mén)都沒(méi)有外漏的問(wèn)題出現(xiàn)，直到2020-11因用戶(hù)已經(jīng)將加熱溫度提升到接近或超過(guò)200度相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)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(hù)可能會(huì)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(wú)法避免和解決閥門(mén)外漏的問(wèn)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(hù)的加熱溫度長(zhǎng)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(méi)有達(dá)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(mén)的整體設(shè)計(jì)的前提下可以消除閥體外漏的問(wèn)題。

該閥門(mén)研發(fā)初始為何未采用如FlowserveNordstrom的石墨密封的形式，這是因?yàn)?3 m3儲(chǔ)罐的直徑過(guò)大，要求閥門(mén)的整體結(jié)構(gòu)超短。常規(guī)的2″150#球閥的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度是178 mm，而此處特殊要求，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度僅僅是105 mm。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

在公司液態(tài)金屬鈉儲(chǔ)罐上使用的帶高溫導(dǎo)熱油夾套的卸鈉閥有進(jìn)口FlowserveNordstrom的金屬密封旋塞閥和國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)的國(guó)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(guó)產(chǎn)閥門(mén)的使用頻率是進(jìn)口閥門(mén)的10倍～20倍。國(guó)產(chǎn)閥門(mén)有維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低，廠家售后及時(shí)，訂貨加工周期和現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，國(guó)產(chǎn)閥門(mén)在使用材料等級(jí)高于進(jìn)口閥門(mén)的前提條件下，價(jià)格不到進(jìn)口閥門(mén)的50%。通過(guò)2 a的使用，公司在33 m3儲(chǔ)罐上使用國(guó)產(chǎn)閥門(mén)積累了一定的成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也分析了國(guó)產(chǎn)密封材料提高設(shè)計(jì)溫度的選型后的效果肯定會(huì)得到預(yù)期的效果，國(guó)產(chǎn)閥門(mén)的研制和成功應(yīng)用將會(huì)被實(shí)踐進(jìn)一步證明。