LNG用超低溫球閥中腔泄壓規(guī)律的試驗

趙龍龍，張翼，李靖，程佳，邵宏智，孔祥博，張鵬珍

（西安泵閥總廠有限公司， 陜西 西安 710025）

近年來隨著我國能源結構的調整，液化天然氣（LNG）這種清潔、高效、環(huán)保的能源使用量急劇增加，在天然氣的液化及液化天然氣的運輸、貯存等方面對低溫球閥的需求量隨之急劇增加。

由于LNG易燃、易爆、氣液比大（-162℃低溫液化后與常溫氣體的體積比為1:625）等特點，在LNG裝置上使用的球閥不僅要有可靠的密封性，還要有良好的中腔超壓自動泄壓功能。要滿足這兩項功能可采用API 6D DIB-2結構設計的SPE-DPE組合閥座，既能在介質流入側形成雙重密封，滿足密封性要求；又能滿足中腔超壓自動泄放功能。

根據(jù)API 6D規(guī)范對球閥腔體泄壓和排放的規(guī)定：閥體泄放裝置應避免腔體內的壓力超過閥門額定壓力的1.33倍，采用API 6D DIB-2結構設計的SPE-DPE組合閥座，應具備當閥腔壓力在設計壓力的1.0～1.33倍之間時，閥門應能自動向閥門的上游端泄壓，下游端仍能保證密封，以提高閥門的密封能力，保證閥門在管線上安全可靠地運行。

1 試驗方案

針對DIB-2結構設計的SPE-DPE組合閥座，提出以下試驗方案：閥門上游進壓至設計壓力在中腔檢漏，等壓力穩(wěn)定后上游保壓，記錄上游壓力變送器數(shù)值P（保壓過程中保證壓力變送器與上游閥體內腔相通）；連接試壓接頭從中腔進壓，下游檢漏，中腔壓力緩慢升高的過程中觀察上游壓力表的數(shù)據(jù)變化，當上游壓力表數(shù)值開始持續(xù)上升時，停止中腔進壓，記錄此時中腔試驗壓力PZ，直至中腔壓力完全泄放至上游，兩端壓力平衡時，則PZ即中腔超壓泄放的壓力。簡圖如圖1。

2 實驗設備與試驗數(shù)據(jù)

采用合肥通用機械研究院研制的低溫閥門深冷試驗系統(tǒng)VALST3.0進行試驗，該設備采用壓力變送器對試壓壓力進行實時監(jiān)測，系統(tǒng)內置壓力變送器量程為：0-30MPa；精度：0.25%；讀數(shù)精度為：0.01MPa；用于監(jiān)測上游壓力的壓力變送器精度和系統(tǒng)內置壓力變送器精度相同，試驗時上游壓力可通過壓力變送器實時監(jiān)測，中腔壓力可通過現(xiàn)場控制柜實時監(jiān)測，當中腔超壓泄放導致上游壓力升高可通過壓力變送器準確察覺，記錄中腔泄放壓力。

圖1 DIB-2低溫球閥中腔自泄壓試驗方案簡圖

使用以上試驗方案和試驗設備，我公司對一臺自主生產(chǎn)壓力等級為900LB的頂裝式LNG用超低溫球閥進行了中腔超壓泄放試驗。為便于對閥門中腔超壓泄放規(guī)律進行研究，本次試驗對該閥門在各個壓力階段的中腔泄放壓力進行了測試，并將其中腔泄放壓力與上游壓力的比值的實測值和理論值進行了比較，總結出了相關規(guī)律，試驗數(shù)據(jù)如表1。

表1

從試驗結果可以看出：不管是實測值還是理論計算值，閥門中腔泄放壓力與上游壓力的比值都有隨上游壓力的上升其比值變小的趨勢，并且低壓段更明顯。其中腔泄放壓力與上游壓力的差值△P，總體上也存在這種隨上游壓力的上升其差值△P有變小的趨勢。從數(shù)據(jù)來看：在低壓段其中腔泄放壓力與上游壓力的比值實測值較理論計算值有10%左右的差別，原因是低壓段彈簧預緊力與唇形圈摩擦力對中腔泄放的壓力的影響較大，而彈簧力尤其是碟簧其彈簧力隨變形量的變化較大，而碟簧的變形量在實際裝配后，由于裝配累計誤差很難測出其準確值，其彈簧力不可能計算得十分準確；再加上唇形圈磨擦力也受唇形圈彈簧彈力和閥體、閥座粗糙度等多種因素的影響，其摩擦力很難計算出準確值，所以在低壓段實測值與理論計算值存在差異，而在高壓段其實測值與理論計算值只有2%左右的差異。試驗數(shù)據(jù)和理論計算的數(shù)據(jù)在低壓段有差異，在高壓段基本吻合，說明數(shù)學模型建立是正確的，但碟簧彈力和唇形圈磨擦系數(shù)摩擦力的計算還需要進一步與生產(chǎn)廠家溝通聯(lián)系，取得更多工程數(shù)據(jù)，同時也可通過自主試驗來獲取更準確的數(shù)據(jù)，優(yōu)化計算模型，準確地計算出中腔泄放壓力，減少設計更改次數(shù)，減少不必要的成本浪費。

3 總結與展望

通過以上對這臺閥門的試驗及與對試驗結果的分析，可以看出，該種試驗方案和試驗設備可以比較準確地測出DIB-2低溫閥門的中腔超壓泄放值，為閥門的安全應用和中腔泄壓理論計算數(shù)學模型的建立提供可靠的試驗支持。

該實驗如能優(yōu)化以下兩點，將使試驗結果和計算結果更加準確，為閥門的安全、高效運行提供有力的保障。

(1)由于試驗過程中上游壓力增加時，要人工觀察記錄中腔泄放壓力，這個過程難免會發(fā)生人為誤差，將對試驗結果有一定影響。后期可通過自動控制系統(tǒng)采集上游壓力和中腔壓力的數(shù)值，通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，當中腔壓力向上游泄放時，自動記錄中腔壓力峰值，并由系統(tǒng)停止中腔進壓，這樣測出來的試驗數(shù)據(jù)將更加準確，更有說服力。

(2)由于唇形圈摩擦力計算值受很多因素影響，很難計算出其準確值，所以后期可通過試驗實測出唇形圈摩擦力，為唇形圈的摩擦力計算數(shù)學模型的建立提供可靠的試驗基礎，再對其摩擦力的計算模型進行優(yōu)化，使計算結果更準確，設計更加合理，更好地指導設計及生產(chǎn)制造工作。

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