LNG固定球閥測試詳解及改進

吳孔燕 蔡毅 劉智 葉志強 張智博

【摘要】LNG球閥需對液態(tài)天然氣和伴有氣化后的天然氣進行密封，故LNG球閥驗收必須進行常溫測試和低溫測試。實際測試中常溫測試和低溫測試執(zhí)行標準不同，存有設(shè)備不通用、工序繁多、二次污染、前后性能指標關(guān)聯(lián)性不強等問題，造成實際生產(chǎn)效率不高、試驗一次合格率低下、成本高。通過對測試目的分析，作出三點改進：氮氣取代水和空氣、合并測試設(shè)備、調(diào)整泄壓參數(shù)。常溫采用氮氣作為試驗介質(zhì)完全解決了積水結(jié)冰破壞閥門的情況，合并測試設(shè)備減少人工成本和測試時間，壓差式自泄壓節(jié)省了寶貴的氦氣。改進后測試程序科學(xué)合理，產(chǎn)品質(zhì)量更加穩(wěn)定，適用于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】LNG球閥；低溫測試；SPE；DPE；自泄壓

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.039

Detailed Explanation and Improvement of LNG Fixed Ball Valve Test

WU Kongyan1，CAI Yi2*，LIU Zhi2，YE Zhiqiang2，ZHANG Zhibo2

（1.Jiangmen Xinhui Special Sealing Technology Co.，Ltd.，Jiangmen 529080，China；2.Special Technology Valve Group Co.，Ltd.，Wenzhou 325103，China）

Abstract：LNG ball valve needs to seal the liquid natural gas and the natural gas after gasification，so the acceptance of LNG ball valve must be subject to normal temperature test and low temperature test. In the actual test，the implementation standards of normal temperature test and low temperature test are different，and there are problems such as the equipment is not universal，the process is numerous，the secondary pollution，and the correlation between the performance indicators before and after the test is not strong，resulting in the actual production efficiency is not high，the first pass rate of the test is low，and the cost is high. Through the analysis of the test purpose，three improvements were made：nitrogen replacing water and air，merging the test equipment，and adjusting the pressure relief parameters. Nitrogen is used as the test medium at normal temperature to completely solve the problem of water and ice damage to the valve. The combination of test equipment reduces the labor cost and test time，and the differential pressure self-relief saves valuable helium. The improved test procedure is scientific and reasonable，and the product quality is more stable，which is suitable for industrial mass production.

Key words：LNG ball valve；low temperature test；SPE；DPE；self-relief

我國是世界天然氣第一進口大國，截取2020年數(shù)據(jù)，天然氣年進口總量為7880萬噸，其中LNG約占進口總量的33.5%。當前我國LNG儲備能力嚴重不足，在此背景下國家開始大規(guī)模建設(shè)儲氣庫。LNG固定球閥以其流量系數(shù)大、密封性能優(yōu)良、安全系數(shù)高、啟閉迅速、扭矩小、自動化靈敏等諸多優(yōu)點，在儲氣庫系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，其約占系統(tǒng)閥門總需求的75%。LNG固定球閥閥座多采用SPE+DPE模式[1]，因其工況和結(jié)構(gòu)的特殊性，其測試過程煩瑣，測試介質(zhì)容易造成閥腔二次污染。準確解讀標準含義，充分理解工作原理，選擇適合的測試方案，提高工業(yè)化生產(chǎn)效率非常必要。

1LNG固定球閥結(jié)構(gòu)

LNG固定球閥密封特點：在球閥關(guān)閉狀態(tài)，LNG因溫度變化將導(dǎo)致閥門中腔氣化體積劇烈膨脹，如無法及時排出或者排出方向錯誤都易產(chǎn)生爆燃事故。為了保證安全，結(jié)構(gòu)上通常采用SPE+DPE模式。中腔壓力異常升高，SPE端閥座自動脫離球體，介質(zhì)向上游泄壓。DPE端借助中腔壓力更加趨近球體，密封比壓進一步提高，可有效阻止介質(zhì)向下游泄漏，避免事故擴大。SPE+DPE的組合模式安全性和經(jīng)濟性突出，在LNG行業(yè)被廣泛采用[2]。

2常溫測試

試驗項目整理后如下：

1）殼體水壓試驗：鋼制閥門殼體試驗壓力為38℃時最大允許工作壓力的1.5倍，試壓壓力值應(yīng)該加大圓整到臨近0.1 Mpa，查詢GB/T 12224—2015《鋼制閥門一般要求》標準，F(xiàn)304在-29℃到38℃之間Class150的壓力-溫度額定值為1.90 Mpa。則常溫殼體試驗壓力為2.85 Mpa，向上圓整后為2.9 Mpa。在放空閥位置排凈氣體后內(nèi)腔注水加壓到2.9 Mpa，查看殼體及連接處密封是否有效。2）閥前高壓水密封試驗：球閥的高壓密封試驗壓力為38℃時最大允許工作壓力的1.1倍，則常溫高壓密封試驗壓力為2.09 Mpa，向上圓整后為2.1 Mpa。閥門半開并向閥腔內(nèi)注滿水，閥門關(guān)閉后從一端加壓至2.1 Mpa，從主閥體上放空閥處檢漏。一端試驗完成后重復(fù)步驟試驗另一端。3）DPE端閥后高壓水密封試驗：閥門半開并向閥腔內(nèi)注滿水，加壓至2.1 Mpa后關(guān)閉閥門，卸去DPE端通道全部壓力，排空通道觀察密封面是否泄漏。4）低壓氣密封試驗：低壓密封試驗壓力為0.4～0.6 Mpa。閥門關(guān)閉后從一端加入0.4～0.6 Mpa空氣，從放空閥處檢漏。5）SPE端閥座泄壓試驗：具有自泄壓功能的閥座，應(yīng)在中腔壓力不超過1.33倍的情況下泄壓。閥體上放空閥處安裝壓力表，閥門半開向通道內(nèi)注滿水后加壓至2.52 Mpa關(guān)閉閥門。將通道內(nèi)的壓力泄壓至1.9 Mpa，查看主閥體上的壓力表數(shù)據(jù)，數(shù)值低于2.52 Mpa，則泄壓試驗合格。常溫試驗結(jié)束后高溫氮氣烘干，不得殘留水漬[3]。

3低溫測試

試驗步驟如下：

1）吹掃閥門內(nèi)腔排出空氣。閥腔中的空氣帶有水分，低溫結(jié)冰從而影響閥門性能。打開截止閥2和截止閥3，接通截止閥1和氣瓶開關(guān)1，通入0.2 Mpa的氦氣連續(xù)吹掃閥門內(nèi)腔。排完空氣后關(guān)閉截止閥2和截止閥3，再關(guān)閉截止閥1。將吹掃氣體劫持在閥內(nèi)，閥門操作至關(guān)閉位置。2）將閥門浸入液氮池中，液面高度需滿足閥門冷卻到-196℃，扣除液氮揮發(fā)量后，液面依舊能淹沒過連接長頸閥蓋與主閥體的緊固件上端面。閥門冷卻至-196℃后繼續(xù)保冷不少于1小時。閥門在常溫下注入的0.2 Mpa氦氣在低溫下收縮，壓力會逐漸降低，閥門半開放入氦氣升壓至0.2 MPa。閥門循環(huán)開關(guān)5次后關(guān)閉閥門并打開截止閥3，排出中腔多余氦氣。壓力穩(wěn)定后將接頭3與量杯連通，量杯收集泄漏量。3）高壓氣體試驗應(yīng)該注意氣體試驗的危險性[4]，試驗時應(yīng)從較低壓力開始，并按測試壓力增量逐漸增加壓力，直到達到最大允許測試值。查詢GB/T 24925—2019《低溫閥門技術(shù)條件》標準，閥門冷態(tài)度工作壓力為1.9 Mpa，測試增量為0.4 Mpa，升壓過程需要4次加壓，記錄每次加壓的泄漏量。相同的步驟測試另一端。4）DPE閥座閥后密封試驗，方法同常溫為測試方法，只是試壓過程需要逐次增壓。5）SPE閥座泄壓試驗：接頭3處安裝壓力表，截止閥3打開。閥門半開向通道內(nèi)注氦氣并加壓至2.52 Mpa后關(guān)閉閥門。將兩端通道泄壓至1.9 Mpa，查看主閥體上的壓力表數(shù)據(jù)，數(shù)值低于2.52 Mpa則泄壓試驗合格。6）低溫殼體密封試驗：關(guān)閉截止閥2和截止閥3，半開閥門注入氦氣并加壓至1.9 Mpa，檢查閥桿與填料、主閥體和副閥體、主閥體與長頸閥蓋、主閥體與固定軸之間的密封性能。有逸散性要求的按規(guī)定檢查對應(yīng)密封性。

4關(guān)于LNG球閥測試的總結(jié)

4.1測試設(shè)備與場地

常溫和低溫試驗的場地不同、人員不同、設(shè)備不同，導(dǎo)致流程多、流轉(zhuǎn)時間長、工序煩瑣。

4.2測試介質(zhì)

常溫時高壓密封試壓介質(zhì)為水，低溫時高壓密封試驗介質(zhì)為氦氣。介質(zhì)水在同等條件下穿透能力遠弱于氦氣，即常溫下水壓不漏并不代表氣壓不會漏。實踐證明常溫下氣壓漏，則低溫下一定漏且泄漏量非常容易超標。

4.3水漬結(jié)冰

水壓測試后閥座蓄能圈和閥體之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)會有水漬殘留，低溫下水漬結(jié)冰導(dǎo)致閥座活塞運動失效閥門泄漏。雖然客戶可通過高溫氮氣烘干來消除水漬，但閥門生產(chǎn)企業(yè)卻不具備這樣的條件，水壓試驗后的閥門存在嚴重隱患。

4.4二次污染

閥門生產(chǎn)企業(yè)的常溫試壓設(shè)備通過外購實現(xiàn)，試驗設(shè)備多為碳鋼零件構(gòu)成，工作過程中本身需要潤滑系統(tǒng)和防銹處理，潤系油脂和防銹油容易經(jīng)管路由介質(zhì)水帶入閥門導(dǎo)致清潔度不合格。試壓用水一般為自來水，由于自來水中加入了漂白粉的緣故，水中氯離子偏高容易造成閥門表面點腐蝕。

4.5SPE的閥座低溫泄壓試驗

標準規(guī)定泄放壓力不大于額定值的1.33倍。閱讀標準全文，低溫下沒有關(guān)于殼體強度試驗的要求，高壓試驗壓力也從1.1倍降低為1倍。標準基于安全的考慮取消了低溫殼體強度，降低了密封壓力，標準第（d）條閥門外漏試驗也只升壓到標準額定值。那么，讓中腔允許最高升壓到1.33倍是不夠安全的。

5優(yōu)化改進

針對性優(yōu)化：取消常溫設(shè)備的使用，低溫和常溫測試設(shè)備合并；常溫下采用1.1倍氮氣取代1.5倍水壓殼體試驗，其他試驗壓力不變，試驗介質(zhì)由氮氣替代水和空氣；常溫和低溫的SPE自泄壓試驗由1.33倍壓力調(diào)整為0.33倍壓差試驗。

推薦的測試方案如圖1所示。

5.1常溫殼體密封試驗

將閥門兩端如上圖所示連接。閥門半開關(guān)閉截止閥2和截止閥3，打開氣瓶開關(guān)1和截止閥1向閥門內(nèi)注入氮氣并緩慢升壓力至2.1 Mpa后關(guān)閉氣瓶開關(guān)1。查看閥門與工裝之間、閥門零部件之間密封狀況。密封合格則打開截止閥3排出閥內(nèi)氮氣。

5.2常溫高壓和低壓密封試驗

關(guān)閉閥門，截止閥3保持開啟。打開截止閥1和氣瓶開關(guān)1向閥門內(nèi)注入氮氣緩慢升壓力至2.1 Mpa，壓力穩(wěn)定后從接頭3檢查密封狀況。高壓密封試驗完成后降壓至0.6 Mpa，從接頭3檢查低壓密封狀況。同理完成另一端高低壓密封測試。

5.3常溫雙截斷與排放試驗

關(guān)閉閥門，截止閥3保持開啟。打開截止閥1和氣瓶快關(guān)1；打開截止閥2和氣瓶快關(guān)2，分別向閥門內(nèi)注入氮氣并緩慢升壓力至1倍額定值。壓力穩(wěn)定后從接頭3檢查密封狀況。

5.4DPE閥座常溫閥后密封試驗

關(guān)閉閥門、關(guān)閉截止閥1，打開截止閥2。將截止閥3與氣瓶開關(guān)3接通，向閥門中腔內(nèi)注入氮氣，緩慢升壓力至2.1 Mpa。壓力穩(wěn)定后從接頭2檢查密封狀況。

5.5SPE閥座常溫自泄壓試驗

關(guān)閉閥門，打開截止閥1確保上游排空。將截止閥3與氣瓶開關(guān)3接通，向閥門中腔注入氮氣并緩慢升壓力至不超過0.33倍額定值（0.627 Mpa）的過程中從接頭1檢查密封狀況。

常溫試驗完成后，吹盡閥門和工裝表面水漬。工裝保持不變，將氮氣瓶更換為氦氣瓶，傳感器與控制系統(tǒng)相連，接頭根據(jù)需要與量杯相連，水池更換為液氮池。低溫SPE試驗如上采用不超過0.33倍額定值泄壓法，其他低溫試驗程序步驟保持不變。

6結(jié)語

按優(yōu)化改進后的試驗方法執(zhí)行，經(jīng)工廠實際生產(chǎn)大規(guī)模應(yīng)用后科學(xué)統(tǒng)計，以4″Q647F-150LB球閥舉例：測試時間由3.5小時縮短到2.8小時；泄壓試驗中氦氣成本從318元降低為121元；產(chǎn)品一次合格率從78%提升至92%。標準是對一個產(chǎn)品種類大的概括，具體到一些細分領(lǐng)域，需要根據(jù)情況優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)實際工況，在充分的技術(shù)交流后優(yōu)化了測試方案，簡化了測試程序。既保證了質(zhì)量又縮短了測試周期，節(jié)省了成本，提高了閥門的合格率，促進了工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

【參考文獻】

[1]吳軍.DBB與DIB型固定球閥的密封結(jié)構(gòu)與方向性分析[J].化工設(shè)備與管道，2016，53（5）：77-82.

[2]趙龍龍，張翼，李靖，等.LNG用超低溫球閥中腔泄壓規(guī)律的試驗[J].石油和化工設(shè)備，2020，23（7）：81-83.

[3]王海林.沙特阿美公司進行管道清管測徑試壓干燥的方法[J].石油工程建設(shè)，2012，38（3）：60-62.

[4]周兆明，萬夫.氣密封高壓試驗爆炸模擬分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，27（9）：106-109.

【作者簡介】

吳孔燕，女，1986年出生，工程師，研究方向為密封系統(tǒng)。

通訊作者：蔡毅，男，1985年出生，工程師，研究方向為閥門設(shè)計，電子郵箱：caiyilianyi@163.com。

（編輯：李鈺雙）