低溫絕熱氣瓶用截止閥檢測(cè)技術(shù)研究

李偉 ，張建斌 ，楊玲玲

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司；2.合肥通用機(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)院有限公司，安徽 合肥 230031）

LNG(液化天然氣)低溫絕熱氣瓶是存儲(chǔ)液化氣體產(chǎn)品的容器，主要由外殼與內(nèi)膽、外部閥門系統(tǒng)等構(gòu)建，內(nèi)膽外壁纏有多層絕熱材料，與外殼之間為高真空絕熱層。外部閥門系統(tǒng)主要處于氣瓶前端，截止閥是真空維持系統(tǒng)主要控制部件，閥門性能發(fā)揮直接關(guān)系氣瓶使用安全性與效率。一旦閥門系統(tǒng)失控，LNG泄漏后發(fā)生爆炸等安全隱患的可能性增大。隨著氣瓶被廣泛投入使用，國(guó)家質(zhì)檢局對(duì)該種設(shè)備安全試驗(yàn)等方面的關(guān)注度隨之提高，但低溫絕熱氣瓶用閥門系統(tǒng)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)尚未明確與統(tǒng)一，導(dǎo)致產(chǎn)品性能檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備的配置不規(guī)范，為滿足氣瓶市場(chǎng)需求量，還需加大對(duì)氣瓶用截止閥監(jiān)測(cè)方法的研究力度。

1 氣瓶外部閥門系統(tǒng)概述

低溫絕熱氣瓶用途廣泛，是存儲(chǔ)低溫液化氣體的容器，包括液氮與液氧等液化氣體。為確保使用安全，嚴(yán)格要求在指定工作壓力范圍內(nèi)使用，一旦超過3.5MPa工作壓力，發(fā)生泄露的可能性增大。國(guó)外對(duì)氣瓶產(chǎn)品生產(chǎn)有著明確的工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制造商需要嚴(yán)格按照制造工藝與焊接工藝等規(guī)范生產(chǎn)，確保氣瓶附件齊全與整體性能達(dá)標(biāo)。低溫絕熱氣瓶主要包括臥式或立式兩種類型，涉及氣化系統(tǒng)與輸液系統(tǒng)等，具備供氣與運(yùn)輸、供液等功用。從外部閥門系統(tǒng)入手分析，涉及液位計(jì)、安全閥與調(diào)壓閥等附件，其中，截止閥附件的重要性不能忽視。低溫絕熱氣瓶用截止閥的性能與質(zhì)量，直接反映了氣瓶產(chǎn)品的安全可靠性，間接影響產(chǎn)品無損儲(chǔ)存與加注技術(shù)等作用價(jià)值的發(fā)揮。無論是截止閥的制造安裝還是使用都不能出現(xiàn)質(zhì)量問題，一旦出現(xiàn)失效或故障問題，會(huì)導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)液化氣體泄露，易造成人體中毒或燃燒爆炸等安全風(fēng)險(xiǎn)事故，需要加強(qiáng)質(zhì)量嚴(yán)格把控。

低溫絕熱氣瓶用途廣泛，可存儲(chǔ)液化天然氣或液化二氧化碳等物質(zhì)，但低溫介質(zhì)的理化性質(zhì)特殊，包括易燃易爆與升溫氣化等屬性。低溫液化介質(zhì)氣化時(shí)后，體積會(huì)迅速膨脹，閥門系統(tǒng)的質(zhì)量不過關(guān)，將會(huì)引發(fā)安全事故；對(duì)此，加大閥門系統(tǒng)的試驗(yàn)與檢測(cè)力度意義重大，尤其對(duì)截止閥附件使用性能的檢測(cè)。但實(shí)際上，截止閥產(chǎn)品類型多樣，國(guó)家尚未對(duì)低溫絕熱氣瓶用截止閥的檢測(cè)方法與試驗(yàn)規(guī)則等做出明確規(guī)定，在無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)約束下，產(chǎn)品技術(shù)要求與試驗(yàn)方法的主觀隨意性增大，不利于低溫絕熱氣瓶用閥門行業(yè)規(guī)范化發(fā)展，更不利于低溫絕熱氣瓶產(chǎn)品的安全使用。國(guó)內(nèi)對(duì)截止閥檢測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目的研究，更注重對(duì)低溫絕熱氣瓶閥門附件的大量生產(chǎn)，檢測(cè)方法與技術(shù)水平等革新的發(fā)展水平，將嚴(yán)重滯后于閥門附件的生產(chǎn)速度。大部分的制造商企業(yè)，為了應(yīng)付等因素自主研發(fā)簡(jiǎn)易的閥門附件性能與質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備。由于缺乏第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)的介入，導(dǎo)致檢測(cè)設(shè)備在檢測(cè)準(zhǔn)確性與可靠性方面不能保證。國(guó)際市場(chǎng)上同樣缺乏專業(yè)檢測(cè)設(shè)備，主要參照英國(guó)氣瓶用閥門的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，為確保低溫容器低溫氣瓶的適用性與實(shí)用性，加強(qiáng)我國(guó)產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)設(shè)備的研究意義重大。

2 低溫絕熱氣瓶用截止閥的檢測(cè)方法分析

低溫絕熱氣瓶用截止閥的性能要求主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是耐壓性：在5倍公稱工作壓力下，應(yīng)可保壓5min，閥門無變形破裂或泄露等情況出現(xiàn)。二是啟閉性：在低溫與5倍公稱工作壓力的工況下，閥操作力矩應(yīng)＜7N?m。在低溫工況下，用25N?m力矩關(guān)閉閥門，材料結(jié)構(gòu)不能出現(xiàn)斷裂情況。三是氣密性：在啟閉狀態(tài)下，低溫氣密性在公稱工作壓力下的壓力損失應(yīng)＜0.186MPa，泄漏率≤3mL/min。常溫與高溫氣密性在1.2倍公稱工作壓力下，應(yīng)無泄漏。除此之外，還包括耐用性與耐振性等技術(shù)要求指標(biāo)。

（1）低溫氣密性檢測(cè)方法。低溫絕熱氣瓶的閥門系統(tǒng)附件屬于特種設(shè)備，需要經(jīng)過嚴(yán)格檢測(cè)后使用。但實(shí)際上，國(guó)內(nèi)檢測(cè)檢驗(yàn)技術(shù)尚未成熟，檢測(cè)設(shè)備與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)仍處于摸索性開發(fā)試用階段，不能確保閥門系統(tǒng)附件使用安全性與質(zhì)量。低溫絕熱氣瓶用截止閥的使用溫度要求較高，要求附件在低溫狀態(tài)下保持高度氣密性，以降低氣瓶使用危險(xiǎn)性。在低于零下196℃環(huán)境條件中應(yīng)用時(shí)，氣瓶閥門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與元件的氣密性無從保證，使用風(fēng)險(xiǎn)加??；對(duì)此，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照產(chǎn)品性能要求使用，以降低安全性影響。

國(guó)內(nèi)低溫?zé)峤^氣瓶用截止閥的氣密性檢測(cè)方法與標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，工作展開需參照國(guó)外產(chǎn)品制造時(shí)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)要求，如常用的氦質(zhì)譜檢漏技術(shù)等。氦質(zhì)譜檢漏法檢測(cè)密封結(jié)構(gòu)與元件氣密性的效果理想，不易受氣體介質(zhì)影響，儀器反應(yīng)時(shí)間短，檢漏結(jié)果準(zhǔn)確性高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。氦質(zhì)譜檢漏法使用過程中，需要用到壓力表、針形閥、液氮、保溫容器、試驗(yàn)閥、冷卻蛇管、保溫蓋、氣瓶調(diào)節(jié)閥、遠(yuǎn)控閥等器具，要求試驗(yàn)人員嚴(yán)格按照檢測(cè)規(guī)則展開，并明確掌握試驗(yàn)方法操作要點(diǎn)，盡可能地減少檢驗(yàn)誤差。

基于質(zhì)譜學(xué)原理的氦質(zhì)譜檢漏儀，氣密性檢測(cè)儀器的漏氣體主要以氦氣為主，常用噴氦法或吸氦法兩種檢漏方法完成。但氣瓶閥門系統(tǒng)的體積小，限制了檢測(cè)操作空間，可輔以吸槍檢漏方法完成檢測(cè)。打開截止閥后浸入液氮內(nèi)，關(guān)閉針形閥后通入高純氦氣，利用吸槍檢測(cè)截止閥外部氣密性。關(guān)閉截止閥的同時(shí)開啟針形閥，并通入高純氦氣，用吸槍在針形閥出口處檢測(cè)內(nèi)部氣密性。通過整理分析泄漏率試驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解截止閥的低溫氣密性水平。

（2）低溫耐用性測(cè)定方法。 低溫環(huán)境對(duì)閥門系統(tǒng)附件的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提出了更高地要求，隨著使用溫度的降低，閥門附件發(fā)生低溫脆性破壞與材料相變體積膨脹的可能性越大。采用焊接工藝安裝的閥門系統(tǒng)附件，應(yīng)當(dāng)確保其具備焊縫在低溫環(huán)境下的可靠性。當(dāng)在低溫環(huán)境下頻繁操作截止閥時(shí)，閥門內(nèi)件發(fā)生擦傷與卡阻等可能性增大，也會(huì)降低閥門系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)效性；對(duì)此，加強(qiáng)閥門系統(tǒng)附件的低溫疲勞循環(huán)等使用性能測(cè)定尤為必要。在檢測(cè)過程中，應(yīng)當(dāng)更側(cè)重對(duì)低溫工況下使用質(zhì)量的測(cè)定，相比較常溫工況下的檢測(cè)技術(shù)要求更加嚴(yán)格。

在閥門檢測(cè)過程中，試驗(yàn)溫度控制為85℃，從閥門進(jìn)氣口通入壓縮空氣，記錄此時(shí)的氣瓶公稱工作壓力。在低于7N?m的操作力矩下，開啟關(guān)閉160次閥門系統(tǒng)附件，再向閥門附件內(nèi)通入2MPa液氮。在相同的操作力矩下，增加閥門系統(tǒng)附件開啟關(guān)閉次數(shù)至3840次，最終完成耐用性試驗(yàn)。通過整理分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解產(chǎn)品是否符合常溫氣密性與耐用性要求。

低溫絕熱氣瓶閥門系統(tǒng)附件的研發(fā)不能盲目進(jìn)行，不僅要考慮到閥門系統(tǒng)附件的特征屬性，還需參照國(guó)外產(chǎn)品測(cè)驗(yàn)技術(shù)要求與標(biāo)準(zhǔn)，唯有綜合產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與適用范圍、性能要求等要素考慮，才能確保閥門系統(tǒng)附件國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)規(guī)則等研發(fā)的可靠性。

（3）耐振性試驗(yàn)方法。堵住閥門出氣口后，以低于7N?m的操作力矩關(guān)閉閥門，從閥門進(jìn)氣口通入公稱工作壓力，在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上依次按照三個(gè)相互垂直方向安裝試驗(yàn)裝置，要求在33.3Hz頻率與120min振動(dòng)、位移幅值在2mm的工況下，閥門螺紋連接處應(yīng)無松動(dòng)，并符合常溫氣密性的性能要求。

（4）耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。清除閥門上的油漬后，堵住閥門出氣口，向30L加蓋玻璃器皿內(nèi)倒入600mL相對(duì)密度為0.94質(zhì)量的氨水，將玻璃器皿放置在34℃的氨與空氣混合環(huán)境內(nèi)24h，將閥放置在距離玻璃器皿高40mm的托盤內(nèi)，要求銅合金材料的閥門附件應(yīng)無裂紋現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 結(jié)語

本文主要對(duì)低溫液化氣瓶用截止閥檢測(cè)現(xiàn)狀與使用性能試驗(yàn)方法展開研究，希望對(duì)我國(guó)相關(guān)行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展起到積極參照作用。隨著低溫液化氣瓶產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)的不斷拓展，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)產(chǎn)品制造水平與檢測(cè)技術(shù)研發(fā)水平的提升，推動(dòng)閥門系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)逐步完善與產(chǎn)品產(chǎn)能的穩(wěn)中求進(jìn)發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造與質(zhì)量檢測(cè)的良性循環(huán)。