国产阀门在液态金属钠罐式集装箱的开发与应用

翟光杰，武晓东

(1.中盐内蒙古化工股份有限公司，内蒙古 阿拉善 750336；2.上海博阖流体技术有限公司，上海 200000)

1 前言

卸钠阀，是安装在液态金属钠罐式集装箱顶部，用来灌注和抽取液化金属钠的虹吸管顶部法兰上的专用阀门。每台金属钠罐式集装箱的顶部设置两台带有高温导热油夹套的卸钠阀、两台加注和排放氮气的非夹套阀门，以此形成一备一用两套阀门装置来完成装载、卸钠和闭锁功能。

卸钠阀的使用频率较高，金属钠在液态条件下温度高，阀门闭锁不严将使金属钠泄露，会导致爆燃等危险情况出现。因此，液态金属钠罐式集装箱上使用的卸钠阀以及氮气阀位置关键，技术要求高，在进口的21 m3储罐(国际标准20″集装箱)上采用原装进口的美国Flowserve公司金属密封旋塞阀产品。

2 工艺要求

2.1 工艺流程简介

如图1所示，罐式集装箱(以下简称“罐箱”)是按照标准集装箱的尺寸将储罐安放在钢架构成的框架内，以便使用公路或海运将介质在两地直接输送的专用储运设备。

针对液态金属钠罐式集装箱来说，金属钠要在融化状态下以液态形式进行灌装、抽取的操作。有别于其他输送液体的储罐，介质在灌注、运输和抽取的操作中始终保持液态形式，液态金属钠在灌注和抽取的过程中通过高温导热油加热保持液态，而运输过程中则经冷却后金属钠始终保持固态。同时，金属钠罐箱有别于其他物料储罐的卸料阀门和管道设置在罐体底部，金属钠的灌注和卸载的形式一般都是采用顶部开口安装虹吸管来实现。

2 使用工况

(1)鉴于金属钠物料的物化性质，在装载和卸载的过程中需要通过高温导热油管路对整个罐体以及阀门加热，使金属钠充分受热融化成为液态，同时要保证罐体内没有被液态金属钠占据的空间充满的是惰性气体—氮气，以便隔绝空气，避免金属钠接触空气剧烈氧化爆燃。

(2)金属钠的熔点在常压下是97.8 ℃，在没有惰性气体保护的条件下，对金属钠加热超过该温度就会发生氧化并出现冒白烟的情况。一般在有氮气这种惰性气体保护的条件下，对金属钠的加热油温控制在110 ℃～130 ℃。

(3)根据使用手册，在装载和卸载时，高温导热油的温度应保持在110 ℃～130 ℃左右。虽然罐体以及附件的设计温度极限为200 ℃，但即便是短时间内也尽量避免导热油温度升高至180 ℃～190 ℃。长期高频率地把导热油温度提升至设计极限，有很高概率可能导致罐体强度锐减以及阀门的密封失效等严重的问题出现。

(4)金属钠的装载和卸载都是通过安装在虹吸管顶部法兰上的带夹套的阀门完成，非夹套的阀门是用来补充或排放保护性气体—氮气。

(5)装载时，金属钠在重力作用下自由流淌注入罐体，氮气通过氮气阀排出罐体；卸载时，通过抽取或氮气加压方式，将液态的金属钠通过虹吸管和夹套阀门排出罐体。

(6)液态金属钠罐箱专用阀门使用工况的特点：介质是液态金属钠；介质的温度按照常规为130 ℃以下；工作压力为0.1 MPa～0.2 MPa；阀体需做导热油夹套。

2.3 使用要求

(1)液态金属钠专用阀门为开关两位的手动关断阀；

(2)阀门需要双向密封，在0 MPa～0.15 MPa的氮气作用下，阀座应达到ASME b16.104/FCI 70-2规定的V极泄漏水平；

(3)阀门主要材质的选择应考虑金属钠的特性以及工作温度的影响，避免使用与金属钠易发生反应形成金属间化合物；

(4)阀门形式的选择和密封结构的设计要满足液态金属钠的流通要求，避免因钠金属凝固导致的阀门卡涩或卡死现象。

3 进口卸钠阀在21 m3储罐上的应用

3.1 进口阀门的结构形式

进口的21 m3液态金属钠罐箱所配套采用的是美国Flowserve公司生产的金属密封旋塞阀，品牌为Nordstrom。阀门为碳钢阀体，卸钠阀为锻钢阀体，体内有供高温导热油通流的通道，氮气阀为铸钢阀体。阀门的旋塞与阀座是金属对金属密封形式，不论是带夹套的卸钠阀还是氮气阀，必须定期使用高温密封注脂填充在阀塞和阀门中腔之间来保证阀门的密封性。

为了保证气体和金属钠介质的零泄漏，该阀门每使用2次～3次之后，或者长期搁置之后，必须加注新的高温密封脂。

高温密封注脂是这种结构形式的旋塞阀必备的辅材，这是因为旋塞阀的结构特点所限，无法保证密封阀的金属接触面严丝合缝的接触，所以除了软密封形式的旋塞阀以外，金属对金属的旋塞阀，不论使用温度高低，都必须使用密封加注油脂来保证其密封性能。

FlowserveNordstrom的旋塞阀的阀杆密封采用了柔性石墨密封圈的形式，石墨材质使用，范围比较广，这种类型的密封材料可以使用在低温、常温和400 ℃以上的高温工况。综上所述，进口的液态金属钠储罐上配套的美国Flowserve Nordstrom公司金属密封旋塞阀有结构简单、密封性能良好的特点。

3.2 进口阀门的使用状况

中盐内蒙古化工股份有限公司(以下简称“公司”)使用FlowserveNordstrom阀门的进口储罐一般是用于金属钠的出口业务，需将成品钠装罐后通过海运方式运输到国外客户手中，1 a使用频率约为2次/台罐箱(美国客户)，即阀门需开关使用4次左右。在以前的使用经验中没有出现阀门卡涩和内漏的状况，可靠性还是不错的。

鉴于罐体在空置状态下也必须保证罐内充有保护性气体以免存留的余钠接触空气而发生氧化反应导致危险状况出现，因此该阀门需要定期补充密封加注油脂。该注脂为Flowserve公司专用辅材，需要定期购买，且价格比较昂贵，国内找不到替代产品，因此维护保养的费用较高。

除此以外，该阀门的采购成本比较高，阀门采购价格一般在5万元/台左右，润滑脂的采购价格一般800元/袋～1000元/袋，每个阀门一次注脂量约为每袋润滑脂的1/3，每次开关阀门前必须进行注脂才能确保阀门开关灵活、密封良好。在使用全寿命周期内，该阀门的成本一直是递增的状态。综上所述，该阀门结构简单可靠，密封性能良好，不足之处是整体经济性欠佳，而且使用频率不高的状态下也需要定期投入资金采购专用密封注脂做维护保养之用，对于国内市场所面临的客户需求量大，储罐使用频繁的要求，使用该阀门会导致企业的成本飙升。

4 卸钠阀的国产化

4.1 国产卸钠阀和氮气阀的需求

鉴于国内金属钠市场需求的增长，应客户要求，公司超过1万t金属钠储运的方式由传统的桶装固态金属钠包装和销售，外包装规格φ560×970的金属桶散装模式变更为专用研发的33 m3罐箱形式。连带着需要开发配套专用的卸钠阀和氮气阀。

选择33 m3储罐是经过反复核算后确定的。该尺寸罐体的选择过程中，公司充分考虑适用性和经济性，最大限度地利用集装箱的标准尺寸，将罐体的直径放大到极限，同时将罐体两侧适当加长，最终获得最大单罐存储量的同时保证集装箱卡车公路运输过程中不超载。

但是，由于罐箱直径被放大，导致罐顶用于安装阀门设备的空间非常有限，标准结构长度的阀门安装在罐顶会超出集装箱框体的边界。这就使得阀门的结构长度必须要非常短才能正常安装，而Flowserve Nordstrom的阀门因其结构长度比较长，不适合用在国产33 m3储罐上。

所以，必须配套开发一种国产33 m3液态金属钠储罐专用的卸钠阀和氮气阀。

4.2 国产卸钠阀和氮气阀的研发

在33 m3国产储罐研发初始，公司考虑了使用国产的球阀作为卸钠阀和氮气阀的阀门形式。针对卸钠阀具体的技术要求如下：

(1)阀体材质采用美标304不锈钢。

(2)阀球和阀座材质采用美标A182 F51+炭化钨喷涂。

(3)阀杆材质采用A182 F51或A276 T316。

(4)阀门的压力等级为ANSI class 150。

(5)阀门要求为全通径双向金属密封。

(6)阀体结构长度不超过105 mm。

(7)阀门垂直安装，与罐体侧连接方式为4″150#法兰，与盲板法兰/卸钠管道连接方式为2″ 150#法兰。

(8)阀体带高温导热油夹套，夹套的承压能力为1.5×106Pa。

项目启动于2017-01～2017-12经与国内某阀门厂协商，公司将首批八台罐箱送达该厂。经模拟实际工况条件对罐体和阀门做测试后，整体满足使用条件遂接收。

使用球阀的主要原因是球阀可以将结构长度缩小到适合33 m3储罐的程度，而且球阀不需要定期注脂以确保密封性能。金属密封球阀的阀座有“刮刀”结构，可以在开关时将残留在阀球表面的金属钠刮擦干净，避免了如金属钠生产线上所使用的截止阀在阀芯和阀座处出现的“结焦”的现象。

4.3 使用中遇到扭矩飙升问题的探讨和改进措施

该批罐箱在2018年初开始投入使用，以每周1次的频率来往于公司与客户之间运送金属钠。在罐体使用了近三个月后，阀门陆续出现开关扭矩飙升的问题。

经与阀门厂家联合调研发现，因技术要求阀门必须双向密封，厂家对液态金属钠的特点又不够熟悉，所以采用了浮动球阀的结构形式。该形式的阀门在使用过程中，阀门中腔有积存的金属钠存在，扭矩飙升是由于在高频使用了两到三个月之后，金属钠进入到阀座与阀座弹簧之间导致阀座与阀球之间到挤压力增加所致。

经阀门厂家技术人员在公司实地考察液态金属钠的特性，厂家提议将浮动球阀的形式更改为固定轴球阀+单侧密封的形式。这样做的理由是：

(1)纯金属钠在融化状态下的黏稠度不高，成稀薄的乳液状态，流动性比较好，一旦在阀腔内积存并固化可能会导致部分动部件的间隙被填充而出现卡涩，因此将阀门设计成单侧阀座密封可以使阀中腔与下游联通，保证阀门关闭后中腔内的残余液态金属钠可以通过重力作用挤压排空。

(2)固定轴球阀的密封是通过阀座在系统介质的压力作用下挤压阀球而获得的，有别于浮动球阀，后者是通过系统压力作用在阀球上，将阀球挤压到阀座来获得相应的密封比压而获得良好密封性能的。固定轴球阀的单侧阀座如果设计成“双活塞作用(DPE)”，则不论密封副左右哪边压力高，其合力的作用始终将阀座挤压在阀球上。因此，靠单侧阀座即可满足阀门双向密封的作用。

上述改进在2018-07～12的试用过程中表现良好，阀门密封严密，扭矩稳定。随后即将改型后的阀门定型并批量投入使用，在2018年到2020年底的2 a多时间内使用情况良好。综上所述，使用结果证明采用单侧金属密封(双活塞作用阀座)的固定轴球阀作为卸钠阀在一年甚至更长的时间里，以每周两次使用的频率，使用情况稳定，无泄漏。

4.4 对于使用中遇到的短时间内频繁出现阀门外漏现象的问题分析和解决方案

从2020-12～2021-05，公司使用固定轴球阀的罐箱在终端用户处连续出现了5次比较严重的阀门外漏现象。泄漏点覆盖了所有使用氟橡胶密封圈的部位，包括：端盖与阀体之间、阀球支撑轴与阀体之间，阀杆与阀体之间。

经由公司技术人员赴现场服务发现阀门的氟橡胶密封圈出现了明显的塑形变形。

公司技术人员赴终端客户处现场调查发现，用户在对液态金属钠罐箱加热的过程中使用了过高的温度。按照公司提供的操作规程，在给注满金属钠的储罐加热以便抽取钠的过程中，高温导热油的温度应该控制在110 ℃～130 ℃左右，但是终端客户采用的温度多在180 ℃～190 ℃，甚至最高温度曾经达到过240 ℃，大大超过了操作规程中规定的温度范围。

虽然罐箱以及阀门的设计温度要求是200 ℃，而且对于阀门来说，其使用的Viton，即氟橡胶。VITON是美国Dupont(杜邦)公司氟橡胶材料的商品名。虽然该材质的使用温度为零下50 ℃～200 ℃之间，但是200 ℃是其使用的极限温度，一般短时间暴露在该温度下，VITON密封圈不会立即软化失效，长期且重复使用在接近极限使用温度的工况条件下势必造成材料的加速老化。

经过分析，认为用户是逐步提高导热油温度的，因此在该型号阀门初期使用的两年内(2018年到2020年上半年)，不论是老型号的阀门和升级改型之后的阀门都没有外漏的问题出现，直到2020-11因用户已经将加热温度提升到接近或超过200度相当长一段时间后，密封圈老化到了发生塑形变形的程度后才陆续并且持续出现阀体外漏现象。

根据上述情况，考虑到用户可能会持续使用高于200 ℃的加热温度，继续使用VITON作为密封材质是无法避免和解决阀门外漏的问题的，因此，建议采用耐温性能更好的FFKM材质替换原有的所有VITON密封圈。

Kalrez®即Dupont公司FFKM材料的全氟橡胶商品名。该材质的耐温极限为324 ℃左右。即便用户的加热温度长期稳定在240 ℃，该温度距离FFKM的使用温度极限还差80 ℃，完全没有达到其加速老化的温度范围。因此，有理由相信，将所有的VITON密封圈更换为Kalrez(FFKM)密封圈，从而在不更改目前阀门的整体设计的前提下可以消除阀体外漏的问题。

该阀门研发初始为何未采用如FlowserveNordstrom的石墨密封的形式，这是因为33 m3储罐的直径过大，要求阀门的整体结构超短。常规的2″150#球阀的结构长度是178 mm，而此处特殊要求，结构长度仅仅是105 mm。

超短的结构长度和特殊的阀体结构使得端盖和阀盖与阀门法兰的距离超近，受空间限制，在此处是无法放置使用石墨密封材质所需的填料函的。

5 结束语

在公司液态金属钠储罐上使用的带高温导热油夹套的卸钠阀有进口FlowserveNordstrom的金属密封旋塞阀和国内某厂生产的国产金属密封球阀两种。两者的使用条件相同，但是使用的频率相差很大，国产阀门的使用频率是进口阀门的10倍～20倍。国产阀门有维护保养费用低，厂家售后及时，订货加工周期和现场服务响应时间短等优势。同时，国产阀门在使用材料等级高于进口阀门的前提条件下，价格不到进口阀门的50%。通过2 a的使用，公司在33 m3储罐上使用国产阀门积累了一定的成功经验，同时也分析了国产密封材料提高设计温度的选型后的效果肯定会得到预期的效果，国产阀门的研制和成功应用将会被实践进一步证明。