球阀的低温试验

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥通用机械研究院 作者:朱绍源

  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。

1、前言

  球阀以启闭迅速、密封可靠、结构简单、重量轻、流阻小等特点,目前在低温管道系统得到较广泛应用。用于工业低温管道的球阀,除少量一部分特殊用途、非典型结构外,大都为非金属软密封阀座结构,由于其运行工况恶劣,作用关键,因此密封要求高,性能考核严格,其低温性能试验是生产与使用过程中的一道关键工序。

  球阀的低温试验具有一定的特殊性,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为了解掌握球阀低温试验的原理、方法及特性,科学、合理地利用低温试验的手段,对促进低温球阀的研究、生产,持续提高产品质量,保障重点工程建设均有着重要的意义。

2、阀门的低温试验

2.1、目的

  阀门低温试验是检验低温阀门在低温模拟工况环境下的性能,可以对低温阀门整机性能作出评价。目前,阀门低温试验所执行的标准主要是:GB /T24925-2010、BS 6364:1984 等。低温试验的主要内容有: 检验密封件、填料、上密封等处的密封情况;整机带压工况的操作性能等。检测参数有: 阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、填料函、冷媒及环境温度;阀门出口端的瞬间泄漏量、累积泄漏量和平均泄漏量;试验介质压力极其变动情况。试验介质一般为氦气。

2.2、试验装置

  阀门的低温试验装置如图1 所示,试验装置主要由低温系统、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 ~-196℃温度可调;压力系统控制试验介质压力,提供试验需要的压力源,对于贵重试验介质,应能尽可能实现回收重复利用;测控系统负责试验过程中各物理量的采集、归纳、评定,辅助参数和试验参数的管理,整个试验装置的过程控制,并提供完备的人机操作界面。

阀门低温试验原理

图1 阀门低温试验原理

2.3、试验过程

  低温试验前,应使受试阀门充分干燥,去除阀内的油脂及杂物。将低温阀门安装在低温试验槽内,连接好所有接头,保证阀门填料部分位于保温盖以上,且温度保持在0℃ 以上。将阀门浸入低温介质中,低温介质盖住阀体与阀盖连接部分上端,或使用喷嘴向阀门的阀盖颈部以下均匀喷淋低温介质,使阀门冷却至相应的试验温度。保持一定的时间,直到各处的温度稳定为止,温度变化应在± 5℃以内。开关阀门若干次,检验其低温操作性能;关闭阀门,按正常流向加压,进行密封试验。再将阀门处于半开状态,关闭出口端的针型阀,检验阀门填料、阀体和阀盖连接处的密封性。将试验结果与相应标准对照,判定结果,形成结论。

3、球阀低温试验中应该注意的问题

3.1、与实际工况的差异

  目前的标准、资料所推荐的低温试验方法几乎都是采用外冷法,即利用冷媒从受试阀门外部提取热量,降低阀门温度。而低温阀门的实际工况条件是: 低温介质从阀门内部流过,外部接触常温或相对较高温度环境。

  外冷法带来的问题是使低温阀门在试验初期产生一个与实际工况相反的温度梯度,对低温球阀而言,阀体和阀盖快速冷却,产生体积收缩,而此时球体、阀座尚未完全冷透,特别是由于非金属阀座的隔热作用,进一步延缓了热量传递过程。此时,原有的配合被改变,非金属阀座或组合阀座的非金属密封圈可能会受到过度挤压,造成各部件动作困难,我们姑且称这种现象为: 低温抱死。低温抱死会使非金属阀座产生永久性变形,即所谓“冷流”现象,并且,聚四氟乙烯等非金属材料的热膨胀系数要大于金属材料,随着内、外温度的逐渐平衡,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,除了对阀座的挤压外,连接壳体的紧固件和密封元件也会受到应力异常升高带来的损害,壳体和内件相互抱紧后,受力情况复杂,严重时也可能会造成结构上的永久改变。

  低温球阀产生低温抱死后最忌立即进行开、关操作,此时的开、关操作在极大的应力作用下很容易在阀座的密封面上产生一系列压痕,甚至会造成球体端口对阀座的“啃切”现象,使阀座完全失效。

  防止低温抱死损害的有效手段是控制好降温速率,降温过程中保持阀门处于全开或全关位置,设法进行阀内温度的测定,维持一定的温度稳定时间,开、关操作前要尽可能保持阀门内、外温度平衡。

3.3、材料低温特性的影响

  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、304L、316、316L 等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某些不足,这些材料都属于亚稳定型不锈钢,在低温下会发生向马氏体的金相转变,由于体心立方晶格的马氏体致密度低于面心立方晶格的奥氏体,低温相变后会引起体积膨胀而导致零件变形。此外,温度降低还会造成金属结构的收缩,由于零件各部分收缩不均匀,就产生了温度应力,当温度应力超出了材料的屈服极限时,零件将产生不可逆的永久变形。因此,低温阀门零部件的深冷处理工艺是很关键的,深冷处理的目的就是使这些相变和变形在精加工之前充分发生,以保证成品零、部件的结构稳定。零部件没有经过深冷处理的低温阀门在进入低温环境后可能会造成整机性能全面失效。

  低温球阀的非金属阀座一般以聚四氟乙烯( PTFE) 、聚三氟氯乙烯( PCTFE) 等构成,PTFE 和PCTFE 的理论脆化温度均为-180 ~- 195℃,但实际上,商业化采购的产品远达不到这样的温度,阀座的低温脆性带来的损害有时是严重的,脆化后的阀座已失去了弹性补偿能力,如果球体精度没有足够高,很难达到密封要求,特别对于中国标准规定的软密封阀座的零泄漏要求。此外,脆化后的阀座硬度急剧升高,有可能造成球体表面损伤或阀座脆裂。

3.4、降温速率的影响

  浸渍法降温的速率其实是很难控制的,取决于阀门表面状况和材料的导热系数。但喷淋方式可以通过控制液氮喷淋量来调节降温速率。从理论上来说,较低的降温速率可以降低阀门内、外温差,减小温度梯度,对试验过程有利,但会增加液氮的消耗。降温速率应视受试阀门的具体参数而定,如通径、壁厚、结构情况、内件组成等。过快的降温速率会加剧低温抱死现象,并且,过大的温度梯度会引起较高的内应力,造成构件损坏。

阀门、外降温过程

图2 阀门、外降温过程

4、试验用冷媒和介质的消耗控制

4.1、冷媒消耗及其控制

  低温试验中冷媒的理想消耗应该是: 受试阀门连同试验槽内的附属设施从室温降低到规定温度所需要带走的热量,等于所消耗冷媒的汽化潜热总量。减少冷媒消耗是降低试验成本的一项重要措施,减少冷媒消耗可以从以下方面着手: (1)选择容积合适的低温试验槽;(2) 尽可能减小试验槽内的多余空间,可以用热容量较小的材料填塞多余空间;(3) 对于需要温度调节的试验,尽量采用喷淋方式调温,避免使用酒精稀释冷媒后的浸渍;(4) 集中安排试验,同规格的产品可以进行连续试验,以合理利用残液;(5) 加强保温措施,减少冷量的额外损耗。

4.2、试验介质消耗及其控制

  低温试验的介质一般规定为氦气,氦气是一种惰性气体,标准大气压下的液化温度为-269℃,是用于阀门低温试验比较合适的介质。但氦气的市场价格昂贵,而大口径、高压力阀门低温试验的氦气消耗量巨大,因此,氦气的消耗控制及回收重复利用意义重大。从原理上来说,氦气的回收技术并不复杂,重要的是其过程的可操作性和操作的安全性设计。曾有人担心氦气回收后的纯度问题,其实,阀门低温试验对氦气的纯度要求并不高,而且,阀门在低温试验过程中,首先对阀腔进行氦气吹扫,以排除内腔空气。阀门低温试验时的深冷高压环境已超过了绝大部分物质的液化凝结点,回收后的氦气纯度变化不大,对低温试验的重复使用也没多少影响。

5、安全防范措施

  阀门的低温试验是一项具有一定危险性的工作,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好的通风,必要时,还需进行人工强制通风。要以相关标准为依据,科学、合理地制定企业低温阀门试验操作规程。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功能,并使其操作部件处于最醒目和便于操作位置。对于高压、大口径等高参数试验,应尽可能进行远距离操作。受试阀门在低温试验槽内要有固定和夹紧措施。仪器、仪表的选择要注重其抗低温特性,及低温下的性能稳定性,防止其非耐低温部位接触低温环境。对于暴露在外的低温设备或设备的低温部位要设立警示标志,并进行隔离,避免对无关人员的意外伤害。

6、结语

  现行标准规定的阀门低温试验方法与低温阀门的实际运行工况环境有一定的差异,应合理的控制降温速率、降温方式、保温时间,使试验条件尽可能接近实际工况。对于球阀的低温试验,要注意其构件材料的低温特性,防止低温抱死、冷流等对受试阀门的损害。阀门低温试验中的冷媒和试验介质价格昂贵且消耗较大,应注意消耗控制,或对其回收重复利用。要加强安全防范措施,防止低温对人员和设备的伤害。

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