低溫閥門(mén)真實(shí)工況模擬

（合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

低溫閥門(mén)是指介質(zhì)工作溫度在-29 ℃以下的閥門(mén)，廣泛應(yīng)用于空分、乙烯石化、液化天然氣（LNG）等領(lǐng)域，低溫閥門(mén)主要品種有：低溫閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、止回閥、調(diào)節(jié)閥、安全閥等［1-2］。低溫試驗(yàn)是在模擬低溫工況條件下對(duì)低溫閥門(mén)進(jìn)行的性能試驗(yàn)，是低溫閥門(mén)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是低溫閥門(mén)工況運(yùn)行性能評(píng)價(jià)的手段和依據(jù)。

隨著LNG、空分、乙烯工程等的發(fā)展，低溫閥門(mén)市場(chǎng)需求增大、國(guó)產(chǎn)化率也在逐年上升，對(duì)低溫閥門(mén)進(jìn)行科學(xué)的、經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)正在成為一個(gè)重要的研究課題。

1 低溫閥門(mén)的低溫試驗(yàn)方法與裝置

1.1 低溫試驗(yàn)裝置

閥門(mén)的低溫試驗(yàn)是檢驗(yàn)低溫閥門(mén)在低溫工況下的性能，以對(duì)低溫閥門(mén)的性能水平作出評(píng)價(jià)。目前，閥門(mén)低溫試驗(yàn)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)主要有：ISO 28921-2：2015、GB/T24925-2019、BS 6364：1984等。降溫方式有在低溫介質(zhì)（如液氮）內(nèi)的浸漬法和利用低溫介質(zhì)對(duì)試驗(yàn)閥門(mén)的噴淋法或噴霧法等。低溫試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括檢驗(yàn)密封副、啟閉件等的密封情況，低溫工作狀態(tài)下的操作性能等。檢測(cè)參數(shù)包括：閥體、閥蓋、閥桿填料部位、閥內(nèi)腔、冷媒及環(huán)境溫度；閥門(mén)下游（出口端）的瞬間泄漏率、累積泄漏量和平均泄漏率；試驗(yàn)介質(zhì)壓力及其變動(dòng)情況。試驗(yàn)介質(zhì)一般為氦氣或混氦氮?dú)狻?/p>

典型的閥用低溫試驗(yàn)裝置原理如圖1所示［3］，受試閥門(mén)置于保溫試驗(yàn)槽體內(nèi)，槽中通入液氮或其它低溫介質(zhì)降溫，受試閥門(mén)內(nèi)通入規(guī)定壓力的氦氣或混氦氮?dú)猓谑茉囬y門(mén)出口端以計(jì)泡器或流量計(jì)檢測(cè)泄漏情況。

1.2 現(xiàn)行試驗(yàn)方法與實(shí)際工況的差異

目前的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及相關(guān)資料所推薦的閥門(mén)低溫試驗(yàn)方法幾乎均采用外冷法，即將受試閥門(mén)置于低溫環(huán)境中，利用冷媒從受試閥門(mén)外部提取熱量，降低閥門(mén)溫度。而低溫閥門(mén)的實(shí)際工況條件為低溫介質(zhì)從閥門(mén)內(nèi)部流過(guò)，外部接觸常溫或相對(duì)較高溫度環(huán)境［3-5］。因此，現(xiàn)行低溫試驗(yàn)方法營(yíng)造的是一個(gè)與實(shí)際工況不相符的工況條件，其溫度梯度完全相反，不能反映低溫閥門(mén)的實(shí)際工況。

圖1 閥門(mén)低溫試驗(yàn)原理示意

2 現(xiàn)行低溫試驗(yàn)方法的弊端

2.1 溫度梯度差異

外冷法的弊端是使受試閥門(mén)在低溫試驗(yàn)初期形成與實(shí)際運(yùn)行工況相反的溫度梯度，現(xiàn)以低溫球閥為例，閥門(mén)外殼快速冷卻，產(chǎn)生體積收縮，而此時(shí)內(nèi)件，如球體、閥座尚未完全冷卻，特別是由于非金屬閥座密封件的隔熱作用，進(jìn)一步延緩了熱量傳遞過(guò)程。此時(shí)，原有的裝配關(guān)系被改變，非金屬閥座或組合閥座中的非金屬密封件可能會(huì)受到過(guò)度擠壓，造成相互間動(dòng)作困難，文中稱(chēng)為“低溫抱死”現(xiàn)象?！暗蜏乇馈睍?huì)使一般為高分子材料的非金屬閥座產(chǎn)生永久性變形，并且，聚四氟乙烯或聚三氟氯乙烯等非金屬密封材料的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬材料，內(nèi)、外溫度逐漸平衡后，內(nèi)件收縮，密封比壓會(huì)降低或消失，密封副失效［6］。

即使低溫試驗(yàn)合格的產(chǎn)品，由于實(shí)際低溫管道的溫度梯度可能始終存在，閥體、閥蓋等殼體的溫度高于內(nèi)件，裝配時(shí)預(yù)加的比壓會(huì)有所降低或消失，仍可能會(huì)使密封效果下降［3］。

2.2 低溫抱死

“低溫抱死”除了對(duì)內(nèi)件形成的擠壓外，殼體連接件和密封元件也會(huì)所受應(yīng)力異常升高而損害，殼體和內(nèi)件相互抱緊后，應(yīng)力情況復(fù)雜，嚴(yán)重時(shí)可能也會(huì)造成結(jié)構(gòu)上的永久改變。

低溫閥門(mén)產(chǎn)生“低溫抱死”后最忌立即進(jìn)行啟、閉操作，此時(shí)的操作在極大的應(yīng)力作用下很容易在密封面上產(chǎn)生系列壓痕，關(guān)閉件端口會(huì)對(duì)閥座產(chǎn)生“啃切”現(xiàn)象，使閥座完全失效。

目前，防止“低溫抱死”損害的有效手段之一是控制好降溫速率，降溫過(guò)程中應(yīng)保持閥門(mén)啟閉件處于全開(kāi)或全關(guān)位置，并設(shè)法進(jìn)行閥內(nèi)腔溫度的測(cè)定，要維持一定的溫度穩(wěn)定時(shí)間，啟、閉操作前應(yīng)盡可能保持閥門(mén)內(nèi)、外溫度平衡［6］。

2.3 降溫速率的影響

目前，主要采用浸漬法營(yíng)造深冷環(huán)境，浸漬法的降溫速率較難控制，其主要取決于閥門(mén)的表面狀況、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料的導(dǎo)熱系數(shù)。理論上，較低的降溫速率可以減小閥門(mén)內(nèi)外溫差，降低溫度梯度，以此降低對(duì)受試閥門(mén)的損傷，但技術(shù)上較難實(shí)現(xiàn)，目前可通過(guò)液氮噴淋、噴霧等方法實(shí)現(xiàn)一定程度的降溫速率控制［7］。受試閥門(mén)的降溫速率應(yīng)視具體參數(shù)而定，如閥門(mén)的通徑、壁厚、結(jié)構(gòu)情況、內(nèi)件組成等。降溫速率過(guò)快會(huì)加劇“低溫抱死”現(xiàn)象，不能真實(shí)地反映閥門(mén)的密封性能。并且，過(guò)大的溫度梯度會(huì)引起較高的內(nèi)應(yīng)力，造成構(gòu)件損壞［6］。

2.4 外冷條件下相關(guān)試驗(yàn)科目的分析

由于“低溫抱死”會(huì)造成受試閥門(mén)的內(nèi)件處于脹緊狀態(tài)，脹緊的內(nèi)件會(huì)形成極大的啟、閉扭矩，而這種啟、閉扭矩與實(shí)際情況不符；上述啟、閉扭矩造成閥桿等運(yùn)動(dòng)件的負(fù)荷過(guò)大，摩擦、磨損加劇，從而難以完成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的壽命測(cè)試要求，包括負(fù)載壽命，甚至空載壽命。

目前，低溫閥門(mén)的密封性能評(píng)價(jià)也是基于外冷條件下的泄漏率檢測(cè)，但這種泄漏率檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)際價(jià)值不大。首先，外冷法形成的“低溫抱死”會(huì)使閥門(mén)內(nèi)件處于一種脹緊的狀態(tài)，這有利于密封。但同時(shí)，對(duì)于固定式球閥類(lèi)產(chǎn)品，“低溫抱死”也導(dǎo)致活塞式閥座抱死失活，密封失效。

低溫狀態(tài)下的外漏檢測(cè)難以進(jìn)行。現(xiàn)行外冷式低溫試驗(yàn)主要采用浸漬法，即將受試閥門(mén)整體浸泡在低溫介質(zhì)中，僅使填料和驅(qū)動(dòng)件置于低溫環(huán)境以外。如此，在低溫狀態(tài)下只能進(jìn)行填料部位的逸散性檢測(cè)，對(duì)于閥體、閥蓋，及其結(jié)合部的外漏，則難以進(jìn)行檢測(cè)。

不受掌握的整機(jī)溫度分布狀況。低溫閥門(mén)在低溫工況下的整機(jī)溫度分布，特別是沿閥桿的溫度分布狀況是低溫閥門(mén)整機(jī)性能的一個(gè)重要體現(xiàn)，在外冷條件下，試驗(yàn)得到的低溫工況溫度分布狀況與真實(shí)工況下存在差別。

3 低溫閥門(mén)真實(shí)工況模擬

3.1 原理

本文提出了一種用于低溫閥門(mén)的真實(shí)工況模擬方法及裝置，其原理如圖2所示。

圖2 低溫閥門(mén)真實(shí)工況模擬示意

試驗(yàn)閥門(mén)置于自然環(huán)境中，以低溫泵驅(qū)動(dòng)低溫液體（液氮）從現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)低溫槽流出，通過(guò)試驗(yàn)閥門(mén)時(shí)進(jìn)行吸熱并部分氣化，然后，再回到現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)低溫槽，并進(jìn)行氣液分離，蒸發(fā)氣排空，殘液繼續(xù)循環(huán)。低溫儲(chǔ)液罐用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)低溫槽進(jìn)行補(bǔ)液，以維持一定的安全液面，防止液面過(guò)低，飛濺、溢出或管路氣蝕?，F(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)密監(jiān)控試驗(yàn)閥門(mén)的內(nèi)外溫度變化及沿閥蓋頸部、滴水盤(pán)的溫度分布情況。

3.2 技術(shù)關(guān)鍵及難點(diǎn)

低溫閥門(mén)真實(shí)工況模擬，又稱(chēng)之為低溫閥門(mén)“內(nèi)冷循環(huán)”，其能使低溫閥門(mén)在真實(shí)工況環(huán)境下模擬運(yùn)行，在此基礎(chǔ)上考核低溫閥門(mén)的扭矩特性，內(nèi)、外密封性能，溫度分布狀況，循環(huán)壽命等。

本文提出的低溫閥門(mén)內(nèi)循環(huán)裝置的主要關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）低溫泵防氣蝕措施。氣蝕損傷是液體管路系統(tǒng)常見(jiàn)的損傷形式，泵前產(chǎn)生氣蝕后會(huì)形成“不連續(xù)流動(dòng)”，直接破壞低溫泵的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐傻蜏乇玫膿p壞。為有效防止氣蝕的產(chǎn)生，本裝置采取了3項(xiàng)技術(shù)措施：①在低溫泵入口營(yíng)造一個(gè)自然高度差，保證低溫泵的壓入水頭，防止其倒抽形成負(fù)壓而氣化；②在現(xiàn)場(chǎng)循環(huán)試驗(yàn)槽內(nèi)設(shè)置阻汽板，防止回液氣泡重入進(jìn)氣管路；③管路全程采用真空保溫，并使真空夾套式低溫控制閥與真空管集成，減少沿程氣化。

（2）經(jīng)濟(jì)可靠的高增壓方式。由于液氮循環(huán)條件下的高增壓通常較難實(shí)現(xiàn)，一般低溫泵難以經(jīng)濟(jì)地達(dá)到與實(shí)際工況相匹配的壓力，采用液氮蒸發(fā)升壓會(huì)使試驗(yàn)過(guò)程變得難以控制，同時(shí)，氮?dú)馍龎汉髸?huì)使凝結(jié)點(diǎn)上移，系統(tǒng)溫度會(huì)整體上升。針對(duì)此，本文采取的技術(shù)方案為：系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度后，切斷液氮，以高壓氦氣通過(guò)液氮冷浴后向試驗(yàn)閥門(mén)增壓，達(dá)到規(guī)定壓力后進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

（3）采集、控制與通訊技術(shù)。低溫內(nèi)冷循環(huán)試驗(yàn)在自然環(huán)境下進(jìn)行，涉及到低溫、高壓，具有一定的危險(xiǎn)性，應(yīng)盡可能采用遠(yuǎn)程操控。需采集的數(shù)據(jù)種類(lèi)、數(shù)量較大，信號(hào)通道達(dá)近百個(gè)，應(yīng)保證通訊實(shí)時(shí)、可靠，保障現(xiàn)場(chǎng)整潔、安全。

（4）被測(cè)閥溫度分布的動(dòng)態(tài)顯示。主要是指沿閥桿軸向和沿滴水盤(pán)徑向溫度分布，首先要根據(jù)傳熱學(xué)理論提出理想的溫度分布曲線［8-10］，再以采集的數(shù)據(jù)擬合成實(shí)際曲線進(jìn)行對(duì)比。

（5）泄漏率精確、定量檢測(cè)。主要是指內(nèi)漏檢測(cè)，其是內(nèi)冷循環(huán)項(xiàng)目研究中最大的難點(diǎn)。

3.3 內(nèi)冷循環(huán)條件下泄漏率精確、定量檢測(cè)原理簡(jiǎn)介

本文提出的內(nèi)冷循環(huán)條件下泄漏率檢測(cè)是以氦檢為手段，以精確、定量為原則，以快速、便捷為目標(biāo)的全新檢測(cè)方法，基本原理如圖3所示。

圖3 內(nèi)冷循環(huán)條件下泄漏率檢測(cè)原理

具體操作步驟如下：

（1）確保循環(huán)達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)溫度后，使試驗(yàn)閥門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)，關(guān)閉低溫泵，V2，V3，V4開(kāi)啟，其它關(guān)閉，通入氮?dú)獯祾?，至V4出口處無(wú)大量液氮流出即可。

（2）關(guān)閉 V2，V3，V4，使試驗(yàn)閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)，打開(kāi)V5，微啟V6，緩慢打開(kāi)V7，從V5處通入經(jīng)過(guò)液氮冷浴的高壓氦氣。

（3）觀察相關(guān)儀表讀數(shù)，各參數(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)采集設(shè)備，開(kāi)始記錄。

基本檢測(cè)原理總結(jié)如下：試驗(yàn)閥門(mén)關(guān)閉后，從上游通入氦氣，下游重點(diǎn)檢測(cè)氦氣漏出量，下游氦氣沒(méi)有其它來(lái)源，只能是從上游通過(guò)試驗(yàn)閥門(mén)的關(guān)閉件漏出。相關(guān)儀器、儀表分別反映出試驗(yàn)閥門(mén)上游腔內(nèi)氦氣體積濃度r1、下游腔內(nèi)體積濃度r2、下游漏出流量計(jì)流量Q2，以上數(shù)值應(yīng)為回到常溫、常壓狀態(tài)時(shí)的值。由Q2、r2得到下游氦氣的凈體積漏出流量，乘以當(dāng)?shù)販貕合碌暮饷芏戎郸?（公共參數(shù)，可查表獲得），得到氦氣的質(zhì)量漏出流量m2，顯然，m1=m2，再利用r1、ρ1、m1得到上游混合氣的體積漏出流量Q1，完成檢測(cè)過(guò)程。當(dāng)然，以上過(guò)程以人工記錄、統(tǒng)計(jì)是不現(xiàn)實(shí)的，但采用計(jì)算機(jī)并配合簡(jiǎn)單的氮、氦物性數(shù)據(jù)庫(kù)，即可做到實(shí)時(shí)響應(yīng)，精確記錄、計(jì)算。

4 低溫閥門(mén)內(nèi)冷循環(huán)試驗(yàn)裝置的意義

（1）科學(xué)地、顛覆性地提出了低溫閥門(mén)的真實(shí)工況模擬試驗(yàn)驗(yàn)證方式。

（2）科學(xué)、真實(shí)、全面地反映了低溫閥門(mén)的綜合性能，其中包括：實(shí)際運(yùn)行工況條件下的操作性能；密封性能；溫度分布情況；管道施工的影響等。

（3）直觀而真實(shí)地反映了低溫介質(zhì)的管道流動(dòng)控制狀況。

（4）同時(shí)，為低溫管道安裝、施工提供了一個(gè)相對(duì)實(shí)際的驗(yàn)證平臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

低溫試驗(yàn)是低溫閥門(mén)研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范及相關(guān)資料規(guī)定或推薦的低溫試驗(yàn)方法均采用外冷法營(yíng)造低溫環(huán)境，所形成的溫度梯度與實(shí)際工況條件完全相反，其得到的結(jié)果與真實(shí)情況存在差距。本文提出的低溫閥門(mén)內(nèi)冷循環(huán)方法是對(duì)低溫閥門(mén)實(shí)際工況的全真模擬。是一套完整的解決方案，包含了目前生產(chǎn)、研發(fā)、應(yīng)用、成套、質(zhì)量監(jiān)督所需的各主要方面。

低溫閥門(mén)內(nèi)冷循環(huán)方法對(duì)于低溫閥門(mén)的生產(chǎn)、應(yīng)用，特別是目前我國(guó)正在開(kāi)展的超低溫閥門(mén)國(guó)產(chǎn)化有著重要意義。