首页《唐游娱乐挂机？2012年第40卷第7期 流 体 机 械 文章编号： 1005—0329(2012)07—0o11一o4 球阀的低温试验 朱绍源 ，郭怀舟，郝伟沙，吴怀昆 (合肥通用机械研究院，安徽合肥230031) 摘 要：低温试验是对低温阀门性能验证的一个重要手段，现行标准规定的阀门低温试验方法与实际工况有一定的差 异，不当的操作容易造成试验结果的失真，甚至对受试阀门的损害。本文主要针对低温球阀的特殊结构，分析了阀门低 温试验中容易出现的问题，并结合实际操作经验 ，提出了一些应对措施。 关键词：球阀；低温试验；低温抱死 ；消耗控制 中图分类号： TK730．4 文献标识码： A doi：10．3969／j．issn．1005-0329．2012．07．003 CryogenicTestfortheBallValves ZHU Shao—yuan，GUO Huai—zhou，HAO Wei—sha，WU Huai-kun (HefeiGeneralMachineryResearchInstitute，Hefei230031，China) Abstract： Cryogenictestisthekeymehtodtoverifyhteperformanceofcryogenicvs]ves．Thecurrentstandardspecifiedhte cryogenictestproceduresforvalvesraedifferentfrom hteactualworkingconditions．Improperoperationwillcausethetestresults imprecise，inadditionitwilldamagehtetestedvalve．Accordingtothespecialstructureofthecryogenicballvalves，theproblems whathappenedeasilyduringhtecryogenictestwereanalyzed．Combinedwiththepractical operationexperiences，somecounter- measu~swereputofrwrad． Keywords： ballvalve；cryogenictest；cryogeniclocking；consumptioncontrol 1 前言 2．1 目的 阀门低温试验是检验低温阀门在低温模拟工 球阀以启闭迅速、密封可靠、结构简单、重量 况环境下的性能，可以对低温阀门整机性能作出 轻、流阻小等特点，目前在低温管道系统得到较广 评价。目前，阀门低温试验所执行的标准主要是： 泛应用。用于工业低温管道的球阀，除少量一部 GB／ 4925—2010、BS6364：1984等。低温试验 分特殊用途、非典型结构外，大都为非金属软密封 的主要内容有：检验密封件、填料、上密封等处的 阀座结构，由于其运行工况恶劣，作用关键，因此 密封情况；整机带压工况的操作性能等。检测参 密封要求高，性能考核严格，其低温性能试验是生 数有：阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、填料函、冷媒及环境 产与使用过程 中的一道关键工序。 温度；阀门出口端的瞬间泄漏量、累积泄漏量和平 球阀的低温试验具有一定的特殊性，了解和 均泄漏量；试验介质压力极其变动情况。试验介 掌握球阀低温试验的原理、方法及特性，科学、合 质一般为氦气 ¨“j。 理地利用低温试验的手段，对促进低温球阀的研 2．2 试验装置 究、生产，持续提高产品质量，保障重点工程建设 阀门的低温试验装置如图1所示，试验装置 均有着重要的意义。 主要由低温系统、压力系统和测控系统3部分组 成。低温系统以液氮作冷媒，营造合适的低温环 2 阀门的低温试验 境，应具备浸渍和喷淋两种降温模式，其中喷淋降 温法要能实现0～一196 温度可调；压力系统控 收稿 日期：2012—04—05 修稿 日期： 2012—06—21 12 FLUID MACHINERY Vo1．40，No．7，2012 制试验介质压力，提供试验需要的压力源，对于贵 件动作困难，我们姑且称这种现象为：低温抱死。 重试验介质，应能尽可能实现回收重复利用；测控 低温抱死会使非金属阀座产生永久性变形，即所 系统负责试验过程中各物理量的采集、归纳、评 谓 “冷流”现象，并且，聚四氟乙烯等非金属材料 定，辅助参数和试验参数的管理，整个试验装置的 的热膨胀系数要大于金属材料，随着 内、外温度的 过程控制，并提供完备的人机操作界面。 逐渐平衡，内件收缩，密封比压降低或消失，密封 副失效 ’。 即使低温试验合格的产品，由于低温管道实 际工况的温度梯度可能始终存在，阀门壳体的温 度水平高于内件，装配时预加的密封比压会有所 降低，仍可能会造成密封效果下降。 3．2 低 温抱死 低温抱死带来的损害有时会很严重，除了对 图1 阀门低温试验原理 阀座的挤压外，连接壳体的紧固件和密封元件也 2．3 试验过程 会受到应力异常升高带来的损害，壳体和 内件相 低温试验前，应使受试阀门充分干燥 ，去除阀 互抱紧后，受力情况复杂，严重时也可能会造成结 内的油脂及杂物。将低温阀门安装在低温试验槽 构上的永久改变。 内，连接好所有接头，保证阀门填料部分位于保温 低温球 阀产生低温抱死后最忌立即进行开、 盖以上，且温度保持在0~C以上。将阀门浸入低 关操作，此时的开、关操作在极大的应力作用下很 温介质中，低温介质盖住 阀体与阀盖连接部分上 容易在阀座的密封面上产生一系列压痕，甚至会 端，或使用喷嘴向阀门的阀盖颈部以下均匀喷淋 造成球体端 口对阀座的 “啃切”现象，使阀座完全 低温介质，使阀门冷却至相应的试验温度。保持 失效。 一 定的时间，直到各处的温度稳定为止，温度变化 防止低温抱死损害的有效手段是控制好降温 应在 ±5℃以内。开关阀门若干次，检验其低温操 速率，降温过程中保持阀门处于全开或全关位置， 作性能；关闭阀门，按正常流向加压，进行密封试 设法进行阀内温度的测定，维持一定的温度稳定 验。再将阀门处于半开状态，关闭出口端的针型 时间，开、关操作前要尽可能保持阀门内、外温度 阀，检验阀门填料、阀体和阀盖连接处的密封性。 平衡。 将试验结果与相应标准对照，判定结果，形成结 3．3 材料低温特性的影响 论 一，。 目前低温阀门，特别是LNG等介质用超低温 阀门的金属用材主要以304、340L、316、316L等 3 球阀低温试验中应该注意的问题 Ni—Cr奥氏体不锈钢为主，这类材料在低温下仍 能保持较好的强度和韧性，但这类材料也存在着 3．1 与实际工况 的差异 某些不足，这些材料都属于亚稳定型不锈钢 ，在低 目前的标准、资料所推荐的低温试验方法几 温下会发生向马氏体的金相转变，由于体心立方 乎都是采用外冷法，即利用冷媒从受试阀门外部 晶格的马氏体致密度低于面心立方晶格的奥氏 提取热量，降低阀门温度。而低温阀门的实际工 体，低温相变后会引起体积膨胀而导致零件变形。 况条件是：低温介质从阀门内部流过，外部接触常 此外，温度降低还会造成金属结构的收缩，由于零 温或相对较高温度环境。 件各部分收缩不均匀，就产生了温度应力，当温度 外冷法带来的问题是使低温阀门在试验初期 应力超出了材料的屈服极限时，零件将产生不可 产生一个与实际工况相反的温度梯度，对低温球 逆的永久变形。因此，低温阀门零部件的深冷处 阀而言，阀体和阀盖快速冷却，产生体积收缩，而 理工艺是很关键的，深冷处理的目的就是使这些 此时球体、阀座尚未完全冷透，特别是由于非金属 相变和变形在精加工之前充分发生 ，以保证成品 阀座的隔热作用，进一步延缓了热量传递过程。 零、部件的结构稳定 ]。零部件没有经过深冷处 此时，原有的配合被改变，非金属阀座或组合阀座 理的低温阀门在进入低温环境后可能会造成整机 的非金属密封圈可能会受到过度挤压，造成各部 性能全面失效 。 2012年第40卷第7期 流 体 机 械 13 低温球阀的非金属阀座一般 以聚四氟乙烯 塞多余空间；(3)对于需要温度调节的试验，尽量 ( FE)、聚三氟氯乙烯 (PCTFE)等构成，PTFE和 采用喷淋方式调温，避免使用酒精稀释冷媒后的 PCTFE 的 理 论 脆 化 温 度 均 为 一 180 ～ 浸渍；(4)集 中安排试验 ，同规格的产品可以进行 一 195~C l “]但实际上，商业化采购的产品远达 ， 连续试验，以合理利用残液；(5)加强保温措施， 不到这样的温度 ，阀座的低温脆性带来的损害有 减少冷量的额外损耗。 时是严重的，脆化后的阀座已失去了弹性补偿能 4．2 试验介质消耗及其控制 力，如果球体精度没有足够高，很难达到密封要 低温试验的介质一般规定为氦气，氦气是一 求 ，特别对于中国标准规定的软密封阀座的零泄 种惰性气体 ，标准大气压下 的液化温度为 一 漏要求。此外，脆化后的阀座硬度急剧升高，有可 269qC，是用于阀门低温试验比较合适的介质。但 能造成球体表面损伤或阀座脆裂。 氦气的市场价格昂贵，而大 口径、高压力阀门低温 3．4 降温速率的影响 试验的氦气消耗量巨大，因此，氦气的消耗控制及 浸渍法降温的速率其实是很难控制的，取决 回收重复利用意义重大。从原理上来说，氦气的 于阀门表面状况和材料的导热系数。但喷淋方式 回收技术并不复杂，重要的是其过程的可操作性 可以通过控制液氮喷淋量来调节降温速率。从理 和操作的安全性设计 j。曾有人担心氦气回收 论上来说，较低的降温速率可以降低阀门内、外温 后的纯度问题，其实，阀门低温试验对氦气的纯度 差，减小温度梯度，对试验过程有利，但会增加液 要求并不高，而且，阀门在低温试验过程中，首先 氮的消耗。降温速率应视受试阀门的具体参数而 对阀腔进行氦气吹扫，以排除内腔空气。阀门低 定 ，如通径、壁厚、结构情况、内件组成等。过快的 温试验时的深冷高压环境已超过了绝大部分物质 降温速率会加剧低温抱死现象，并且，过大的温度 的液化凝结点，回收后的氦气纯度变化不大，对低 梯度会引起较高的内应力，造成构件损坏。 温试验的重复使用也没多少影响。 20 5 安全防范措施 0 阀门的低温试验是一项具有一定危险性的工 一 一 作，安全防范措施十分重要。其危险性主要体现 在：液氮大量挥发造成的局部缺氧，会引起人员窒 赠 息；可能会出现的对人员的低温 “烫伤”；试验介 质大量泄漏而引起的冷媒飞溅；以及仪器、仪表的 低温损坏。因此，低温试验的工作场所要保持 良 O 3O 6O 好的通风，必要时，还需进行人工强制通风。要以 时间(min) 相关标准为依据，科学、合理地制定企业低温阀门 图2 阀门、外降温过程 试验操作规程。操作人员必须持证上岗，并配备 必要的安全防护装备，要特别注意对脸、手等暴露 4 试验用冷媒和介质的消耗控制 在外的身体部位的保护，低温操作时应严格禁止 一 个人在现场工作。试验设备上要设置紧急停车 4．1 冷媒消耗及其控制 功能，并使其操作部件处于最醒 目和便于操作位 低温试验中冷媒的理想消耗应该是：受试阀 置。对于高压、大 口径等高参数试验，应尽可能进 门连同试验槽内的附属设施从室温降低到规定温 行远距离操作。受试阀门在低温试验槽内要有固 度所需要带走的热量，等于所消耗冷媒的汽化潜 定和夹紧措施。仪器、仪表的选择要注重其抗低 热总量。减少冷媒消耗是降低试验成本的一项重 温特性，及低温下的性能稳定性，防止其非耐低温 要措施，减少冷媒消耗可以从以下方面着手：(1) 部位接触低温环境。对于暴露在外的低温设备或 选择容积合适的低温试验槽；(2)尽可能减小试 设备的低温部位要设立警示标志，并进行隔离，避 验槽内的多余空间，可以用热容量较小的材料填 免对无关人员的意外伤害。 14 FLUIDMACHINERY Vo1．40，No．7，2012 时计算与燃爆危害预测研究 [J]．压力容器 ，2010， 6 结语 27(10)：21-29． ]I=J 1J 1 J [5] 朱绍源，吴怀昆，郭怀舟，等．基于材料特性的工业 现行标准规定的阀门低温试验方法与低温阀 阀门压力试验技术与装置 [J]．流体机械，2010，38 (9)：15·18． 门的实际运行工况环境有一定的差异，应合理的 [6] 吴堂荣，唐勇．低温阀门密封性能的研究与分析 控制降温速率、降温方式、保温时间，使试验条件 [J]．阀门，2009，(02)：16-28． 尽可能接近实际工况。对于球阀的低温试验，要 [7] 吴堂荣，唐勇，孙晔．LNG船用超低温阀门设计研究 注意其构件材料的低温特性，防止低温抱死、冷流 [J]．船舶工程 ，2010，(02)：73-78． 等对受试阀门的损害。阀门低温试验中的冷媒和 [8] 朱绍源，吴怀昆，杨恒 ，等．阀门低温试验装置的节 试验介质价格昂贵且消耗较大，应注意消耗控制， 约型设计 [J]．机械设计与制造 ，2011，(7)：245- 或对其回收重复利用。要加强安全防范措施，防 247． 止低温对人员和设备的伤害。 [9] 郎咸东，金谟．低温用奥氏体不锈钢阀门零件的深 冷处理[J]．阀门，2002，(o2)：19-20． [1O] 成大先．机械设计手册[M]．北京：化学工业出版 参考文献 社 ，2002． [11] 唐小江，刘栗萌，王双喜，等．管线球阀阀座防火结 杨源泉．阀门设计手册[M]．北京 ：机械工业 出版 构分析 [J]．流体机械，2010，38(6)：51-54． 社，1992． [2] BS6364：1984 SpecificationforValvesforcryogenic service[S]． 作者简介：朱绍源 (1963一)，男，教授级高工，主要从事阀门 [3] GB／T24925--2010低温阀门技术条件[s]． 产品及相关技术研究，通讯地址：230031安徽合肥市长江西路 [4] 刘富君，凌张伟 ，孔帅，等．天然气管道泄漏扩散实 888号合肥通用机械研究院。 (上接第19页) exchangetheory forincompressibleregenerativeturbo- 参考文献 machines．Proc．IMechE[J]．PartA：J．Powerand Energy，2005，219：567~81． [8] 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　　GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf