閥門端部連接耐火試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

王 劍，范宜霖，雷 艷，彭 林，黃 健，張繼偉，徐曉剛

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050）

0 引言

石油石化行業(yè)中閥門的端部連接通常是裝置系統(tǒng)潛在的故障點(diǎn)，當(dāng)閥門或法蘭的端部連接長(zhǎng)時(shí)間暴露在周圍高溫火焰環(huán)境中，法蘭外部和螺栓的加熱速度要快于法蘭內(nèi)部和密封件的加熱速度，產(chǎn)生連接點(diǎn)的溫度梯度，將導(dǎo)致密封預(yù)緊力的損失，失去維持密封所需的接觸壓力，同時(shí)密封墊的強(qiáng)度不足以承受壓力載荷或所承受的溫度超過(guò)極限，會(huì)導(dǎo)致接頭剛度的降低以及墊圈、雙頭螺栓等的屈服，產(chǎn)生永久性拉伸引起永久性預(yù)緊力損失，導(dǎo)致閥門泄漏，造成經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境破壞以及重大安全事故。因此，閥門端部連接在燃燒狀態(tài)下的抗彎和抗壓的設(shè)計(jì)性能需要通過(guò)試驗(yàn)的驗(yàn)證，方可安全的應(yīng)用在石油石化行業(yè)中，現(xiàn)有技術(shù)尚沒(méi)有針對(duì)閥門端部連接耐火性能測(cè)量的系統(tǒng)及測(cè)量方法［1-3］。

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

我國(guó)現(xiàn)有對(duì)燃燒條件下端部連接承壓性能進(jìn)行試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為國(guó)家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6745-2008 《端部連接耐火試驗(yàn)規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用API Spec 6FB：1998《Fire Test for End Connections》，其中分兩章分別對(duì)陸地或近海用端部連接和海上平臺(tái)用端部連接進(jìn)行了耐火試驗(yàn)的要求。適用于法蘭式端部和出口連接、螺紋式端部和出口連接以及其他端部連接。未涉及閥門、井口密封或其他相關(guān)設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)附錄A 中端部連接耐火試驗(yàn)系統(tǒng)的推薦布置如圖1 所示［4-5］。

圖1 推薦的端部連接耐火試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of a recommended fire resistance test system for end connections

實(shí)際燃燒工況下閥門端部連接的與法蘭式或螺紋式端部連接存在差異，如果將SY/T 6745—2008《端部連接耐火試驗(yàn)規(guī)范》附錄A 中推薦的系統(tǒng)布置直接應(yīng)用于閥門端部連接耐火試驗(yàn)會(huì)存在以下問(wèn)題：

（1）增壓泵直接驅(qū)動(dòng)水源作為試驗(yàn)介質(zhì)無(wú)法保障整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程都使用水，測(cè)漏裝置中需再增設(shè)濾液器、濾氣器以及補(bǔ)償管路，同時(shí)增壓泵增壓比過(guò)大以及測(cè)試過(guò)程中閥門開(kāi)度的變化容易造成的壓力波動(dòng)，難以確保了試驗(yàn)測(cè)量的精度。

（2）較法蘭式和螺紋式端部連接相比，閥門端部連接尺寸及重量較大，試驗(yàn)時(shí)拆裝、固定及移動(dòng)的復(fù)雜程度高、難度大，難以在試驗(yàn)罩內(nèi)完成上述所有工作，需設(shè)計(jì)單獨(dú)的彎矩加載機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)開(kāi)始前及結(jié)束后實(shí)現(xiàn)被測(cè)閥門的準(zhǔn)備工作。

（3）閥門端部連接耐火試驗(yàn)用彎矩加載機(jī)構(gòu)需同時(shí)具備閥門拆裝、移動(dòng)推送以及施加彎矩載荷的功能，同時(shí)需考慮隔熱，以精確保證700 ℃溫度試驗(yàn)環(huán)境下彎矩載荷的施加，同時(shí)防止機(jī)構(gòu)壁面高溫?zé)醾鲗?dǎo)不對(duì)其他部件產(chǎn)生損害。

2 系統(tǒng)組成及原理

2.1 系統(tǒng)組成原理

閥門端部連接耐火性能試驗(yàn)系統(tǒng)主要由試驗(yàn)壓力源系統(tǒng)、試驗(yàn)主管路、燃?xì)夤苈?、燃燒室、彎矩加載裝置、側(cè)漏系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。試驗(yàn)壓力源系統(tǒng)為耐火試驗(yàn)提供條件，燃燒室為被測(cè)閥門進(jìn)行耐火性能試驗(yàn)提供外部試驗(yàn)環(huán)境，試驗(yàn)主管路設(shè)置在燃燒室外且伸入管路至燃燒室與被測(cè)閥門兩端連接，彎矩加載裝置對(duì)被測(cè)閥門施加彎矩且使被測(cè)閥門在燃燒室內(nèi)進(jìn)出，測(cè)漏裝置包括包裹在被測(cè)閥門外的密封罩以及通過(guò)管路與密封罩連接且設(shè)置在燃燒室外的測(cè)漏組件［6-8］。

圖2 閥門端部連接耐火試驗(yàn)系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of fire resistance test system for valve end connection

閥門端部連接耐火性能試驗(yàn)裝置中的儲(chǔ)水容器為不銹鋼壓力容器，頂部設(shè)有安全泄壓裝置，底部設(shè)有排污閥門，同時(shí)加裝了電子液位傳感器，可以實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)過(guò)程中容器中液位的變化情況。進(jìn)水管路與儲(chǔ)水容器之間設(shè)有水源進(jìn)口閥門，儲(chǔ)水容器與燃燒室的連接管路之間依次設(shè)有過(guò)濾器、水源出口閥門、壓力傳感器以及冷卻器。

閥門端部連接耐火性能試驗(yàn)裝置的燃燒室為碳鋼材料密閉的試驗(yàn)腔室，燃燒室內(nèi)壁設(shè)有防火纖維，單側(cè)設(shè)有可開(kāi)啟艙門，試驗(yàn)前需打開(kāi)艙門安裝被試閥門，試驗(yàn)過(guò)程中需關(guān)閉艙門。燃燒室試驗(yàn)管路同側(cè)設(shè)有燃?xì)夤苈罚細(xì)夤苈飞显O(shè)有燃?xì)忾_(kāi)關(guān)閥，同時(shí)燃?xì)夤苈纺┒宋挥诒粶y(cè)閥安裝位置處設(shè)有電子點(diǎn)火裝置。

閥門端部連接耐火性能試驗(yàn)裝置的測(cè)漏系統(tǒng)由金屬箔填料密封罩、測(cè)漏管線、冷凝器和量器組成，金屬箔填料密封罩與閥門管道主密封連接間形成一個(gè)密閉的試驗(yàn)腔，金屬箔填料上設(shè)有2 個(gè)測(cè)漏孔，與兩根長(zhǎng)度相等的側(cè)漏管線相連接，測(cè)漏管線經(jīng)過(guò)冷凝器后進(jìn)入量器［9-10］。

2.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

較國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有同類試驗(yàn)系統(tǒng)相比，本試驗(yàn)系統(tǒng)采用不可壓縮的溶液作為試驗(yàn)介質(zhì)，試驗(yàn)介質(zhì)由壓力氣源推送至被測(cè)閥門，保障了整個(gè)燃燒試驗(yàn)過(guò)程中都使用溶液的同時(shí)避免傳統(tǒng)增壓泵驅(qū)動(dòng)水作為壓力源時(shí)增壓比過(guò)大造成的壓力波動(dòng)，有效控制系統(tǒng)的壓力波動(dòng)范圍在±10%以內(nèi)。

針對(duì)傳統(tǒng)U 形阻氣管冷卻能力不足的問(wèn)題試驗(yàn)主管路設(shè)置了過(guò)濾器及冷卻器，同時(shí)測(cè)漏裝置中也無(wú)需再設(shè)置濾液器、慮氣器以及補(bǔ)償管路，進(jìn)一步提高試驗(yàn)管路及測(cè)漏系統(tǒng)的使用壽命及性能，確保了試驗(yàn)測(cè)量的精度誤差范圍在±5%以內(nèi)［11-12］。

3 彎矩加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 彎矩加載系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

彎矩加載系統(tǒng)的良好運(yùn)行是整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，彎矩加載系統(tǒng)參數(shù)與被測(cè)閥門口徑的的合理設(shè)計(jì)不僅能保障試驗(yàn)的精度也能提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，彎矩加載受力原理如圖3所示。

圖3 彎矩加載原理Fig.3 Schematic diagram of bending moment loading

彎矩加載系統(tǒng)中彎矩加載油缸所施加彎矩力的大?。?/p>

式中 M ——最大力矩；

L ——力臂。

閥門所受試驗(yàn)介質(zhì)的壓力大?。?/p>

式中 P ——試驗(yàn)介質(zhì)壓力；

D ——閥門通徑。

彎矩加載油缸所施加力的大小與閥門所受試驗(yàn)介質(zhì)壓力大小一致，即F油=F閥，故：

3.2 彎矩加載系統(tǒng)組成及原理

彎矩加載系統(tǒng)主要由閥門安裝夾具、移動(dòng)推送平臺(tái)、液壓動(dòng)力站和遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)等4 部分組成，如圖4 所示。

圖4 彎矩加載系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of bending moment loading system

閥門安裝夾具為左右開(kāi)合結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同大小閥門的拆裝作業(yè)，移動(dòng)推送機(jī)構(gòu)是將安裝的被測(cè)閥門送入高溫試驗(yàn)爐體內(nèi)；液壓動(dòng)力站為閥門安裝和推送機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力；所有的操作控制均在獨(dú)立的電氣控制操作臺(tái)上完成。

閥門安裝夾具主要由2 組彎矩加載力臂、2組被測(cè)閥安裝法蘭組件、彎矩加載油缸及拉壓力傳感器組成，彎矩加載力臂與被測(cè)閥安裝法蘭組件采用螺栓連接，連接處設(shè)有隔熱石棉墊。如圖5 所示，彎矩加載油缸端部安裝有拉壓力傳感器，可以將實(shí)時(shí)的拉壓力數(shù)值傳到控制臺(tái)及主控制臺(tái)以便于檢測(cè)。

圖5 被測(cè)閥門安裝示意Fig.5 Installation diagram of valve under test

遠(yuǎn)程控制臺(tái)與彎矩加載裝置連接，自動(dòng)化集成了液壓泵遠(yuǎn)程啟動(dòng)、彎矩加載遠(yuǎn)端調(diào)節(jié)和控制各閥門開(kāi)閉。同時(shí)設(shè)有數(shù)顯儀表，實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)結(jié)果。與量器、壓力傳感器、液位計(jì)、熱電偶及熱量計(jì)等相連接，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)方法

借鑒國(guó)家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6745—2008《端部連接耐火試驗(yàn)規(guī)范》中對(duì)端部連接的試驗(yàn)要求，并結(jié)合所設(shè)計(jì)閥門端部連接耐火試驗(yàn)系統(tǒng)的流程架構(gòu)，提出試驗(yàn)操作流程，具體包括以下步驟：

（1）將被測(cè)閥門安裝在彎矩加載系統(tǒng)的法蘭上，通過(guò)遠(yuǎn)程控制操作臺(tái)啟動(dòng)液壓泵，動(dòng)力機(jī)構(gòu)中的液壓系統(tǒng)開(kāi)始工作，通過(guò)移動(dòng)推送平臺(tái)將被測(cè)閥門推送至燃燒室內(nèi)部。

（2）將被測(cè)閥門兩端分別與試驗(yàn)管路及排放管路相連接，然后在被測(cè)閥門上設(shè)置密封罩，將設(shè)置好的待測(cè)閥門密封罩與測(cè)漏系統(tǒng)的管路連接；

（3）測(cè)漏系統(tǒng)通過(guò)管路向被測(cè)閥門密封罩內(nèi)輸入氣體，直至施加不小于0.034 MPa 的壓力，檢測(cè)密封罩性能，然后用干燥的氮?dú)饣驂嚎s空氣干燥泄漏裝置中的管路和被測(cè)閥門密封罩。

（4）打開(kāi)水源出口閥和待測(cè)閥門末端排放閥，使儲(chǔ)液容器中的試驗(yàn)介質(zhì)經(jīng)過(guò)待測(cè)閥門且后經(jīng)輸出管路排出試驗(yàn)管路中空氣，關(guān)閉水源出口閥和排放閥。

（5）打開(kāi)壓力氣源中增壓組件與儲(chǔ)液容器連接管路上的壓力調(diào)節(jié)閥，增大被測(cè)閥門進(jìn)口端壓力；打開(kāi)燃?xì)夤苈分腥細(xì)忾_(kāi)關(guān)閥，為點(diǎn)火提供燃料，控制燃燒裝置中的熱電偶在不同階段的溫度值；具體為：熱電偶平均溫度在2 min 之內(nèi)達(dá)到761 ℃，在熱電偶平均溫度達(dá)到650 ℃之前，保持平均溫度在761～980 ℃之間，燃燒試驗(yàn)其余時(shí)間熱電偶讀數(shù)不低于704 ℃；熱量計(jì)平均溫度在點(diǎn)火15 min 內(nèi)達(dá)到650 ℃，不得低于565 ℃。

（6）待被測(cè)閥門在燃燒狀態(tài)下持續(xù)25 min后，啟動(dòng)彎矩加載裝置，使被測(cè)閥門兩端受力，在一定時(shí)間內(nèi)，階梯式增加彎矩，采集每一次施加的彎矩對(duì)應(yīng)的泄漏量，在保持總泄漏量不超過(guò)最大允許泄漏量的情況下，采集最大彎矩。具體為：每增加一次彎矩暫停15 s，最大彎矩不低于被測(cè)閥門承載力的75%。

（7）檢測(cè)完畢后，通過(guò)遠(yuǎn)程操作臺(tái)消除施加在閥門端部連接處的壓力同時(shí)切斷燃?xì)夤?，待被測(cè)閥門溫度降至常溫后，移動(dòng)平臺(tái)將被測(cè)閥門推送至燃燒室外部，一次檢測(cè)循環(huán)完畢。

通常被測(cè)閥門在耐火試驗(yàn)過(guò)程中及耐火試驗(yàn)結(jié)束冷卻后會(huì)出現(xiàn)內(nèi)泄漏及外泄漏2 種失效現(xiàn)象。內(nèi)泄漏是指通過(guò)閥座的泄漏，外泄漏是指通過(guò)閥體法蘭連接處、螺紋連接處以及閥桿密封處等的泄漏。針對(duì)閥門耐火試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效形式可通過(guò)優(yōu)化閥門耐火結(jié)構(gòu)及密封緊固件的材料進(jìn)行改善，例如選用耐高溫的墊片，如不銹鋼石墨纏繞墊、金屬八角墊等；選用強(qiáng)度等級(jí)較高的鉻鉬鋼螺栓；選用閥桿密封填料應(yīng)選用耐高溫填料，如柔性石墨等［13-16］。

5 結(jié)論

閥門端部連接耐火試驗(yàn)系統(tǒng)是一套高度集成化測(cè)試系統(tǒng)，其試驗(yàn)方法基于SY/T 6745—2008《端部連接耐火試驗(yàn)規(guī)范》所提出。

（1）壓力氣源驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)介質(zhì)的施壓方式，避免了增壓泵驅(qū)動(dòng)水作為壓力源時(shí)增壓比過(guò)大造成的壓力波動(dòng)，同時(shí)無(wú)需設(shè)置濾液器、濾氣器以及補(bǔ)償管線，提高了整套系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，有效控制系統(tǒng)的壓力波動(dòng)范圍在±10%、測(cè)量參數(shù)的精度誤差范圍在±5%以內(nèi)。

（2）過(guò)濾器及冷卻器的設(shè)置，提高試驗(yàn)管路及測(cè)漏系統(tǒng)的使用壽命及性能，解決了傳統(tǒng)U 形阻氣管冷卻能力不足的問(wèn)題，保障了試驗(yàn)外漏的測(cè)量精度。

（3）彎矩加載系統(tǒng)的研制有效地解決了被測(cè)閥門拆裝及試驗(yàn)的難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)閥門端部連接燃燒工況下承壓性能的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。該研究成果對(duì)燃燒工況下連接件承壓性能試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。