管线球阀环境模拟试验与分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海开维喜阀门集团 作者:梁连金

  介绍了管线球阀环境模拟试验的重要性、试验温度的确定、试验装置的建造以及试验流程。管线球阀通过高温和低温环境模拟试验与分析,可以得出环境模拟试验对于管道的重要意义,建议作为管线球阀出厂验收项目之一。

一、前言

  在长输管线建设中,管线球阀所处的环境变化多端。从北极圈到赤道,从高山到海底,从高原到沙漠,穿越地震带、沼泽地、江河、湖泊和山坡等。有的悬空架设、也有直埋地下,在野外远距离遥控操作,维修起来异常困难,因此管线球阀要求具有安全、可靠、长周期、无故障运行,一般免维护寿命不低于30年。产品从生产、包装、运输、装卸及贮存到使用的过程中需经历各种复杂的自然环境和诱发环境。1971年,美国对机载电子设备全年的故障进行剖析,50%以上的故障是由各种环境引起的,温度(高低温)、湿度、振动三项环境造成电子设备43.58%的故障率,其中温度引起的故障占22.2%,由此可见环境温度对产品运行可靠性影响之大。目前,在低温环境下工作的管线球阀标准只对阀体、球体、阀座等材料低温冲击韧度提出要求,并不能验证低温环境下的密封、动作和力矩变化等综合性能。因此,需对管线球阀在高温和低温环境温度下的适应性进行深入分析,并建造环境模拟试验装置进行试验。试验的主要目的如下。

  1)在高温和低温环境温度的作用下,验证管线球阀动作的可靠性和密封性能。

  2)在高温和低温环境温度的作用下,验证管线球阀的力矩是否发生大的变化。

  3)作为管线球阀型式试验项目之一,探索是否作为管线球阀验收项目。

二、环境模拟试验

  1、环境模拟试验温度的确定管线球阀在服役过程中,影响环境温度变化的因素如下:

  1)由地理位置引起的环境温度变化。世界干热气候区的工作温度为32~49℃,诱发温度为33~71℃;极冷气候区的工作温度为-51℃以下。

  2)由季节引起的环境温度变化。由于地球的公转和自转呈周期性变化,出现春、夏、秋、冬的循环。由于这种温度变化是比较缓慢的,它对产品产生一定的温度效应。

  3)由日夜引起的环境温度变化。美国军用标准MIL-STD-810D中给出的热气候区高温日循环温度表中,工作最高温度49℃出现在16:00,诱发最高温度71℃出现在15:00。由于这种温度变化是比较大的,它对产品产生较大的温度效应。

  管线球阀所处的环境温度一般从低温-46℃到高温85℃,阀体材料选用ASTM A350 LF2或ASTM A516Grade 70,最低使用温度为-46℃。在-51℃以下的极冷(C3)气候区建造管道的可能性很低,因此将环境模拟试验温度确定为-50~93℃,可满足管线球阀所处环境温度-46~85℃的试验要求。

  2、环境模拟试验装置的建造

  美国在阿拉斯加原油管线建设时,为了试验闸阀的性能,特地在费尔班克斯地区,在线路走向设计阀门的位置上结合永久工程架设了150in(1in=0.025 4m)的试验段,并安装了一个截断阀,所有架设方法都与后续施工完全相同。这一设施是专门为考验阀门是否能度过北极的冬季,这是管线阀门环境模试验装置的雏型。

  环境模拟试验装置如图1所示,主要由压力提供系统、数据处理系统、环境模拟仓、测试升降台架、温度传感器、试验阀门和力矩测量装置组成。压力提供系统最高压力为70MPa,试验介质为高压氮气。数据处理系统可将环境模拟仓的控制系统、温度传感器数据接收后,采用专用测试分析软件进行分析,最终以图表的形式显示测试结果。环境模拟仓由箱体、空气调节装置、控制系统和导轨组成。箱体的容积为150m3,高度为5m。空气调节装置主要由制冷系统、加热系统和离心送风机组成,可满足-50~93℃试验温度要求。控制系统包括温度传感器和控制器,控制器采用平衡调温的控制方式。导轨可承重60t,试验阀门安装在测试升降台架通过导轨可方便进出环境模拟仓。测试升降台架的双作用液压缸用于调整测试阀门的高度,单个双作用液压缸最大拉力为2 500kN。温度传感器安装于试验阀门的底部、中部和上部,用于测量试验阀门试验时低温和高温的温度,测试结果通过数据处理系统分析。由于试验介质为高压氮气,为保证试验的安全性,试验阀门两端焊接球形封头。通过压力提供系统可对试验阀门在常温、高温和低温不同温度下进行密封性能测试和分析比较。力矩测量装置用于试验阀门在常温、高温和低温不同温度下的开关力矩,力矩测量装置可根据测试管线球阀规格不同进行配置。

管线球阀环境模拟试验与分析

  3、环境模拟试验流程

  管线球阀环境模拟试验前,需进行超声波清洗和脱脂,因为油脂和水分在-46℃的低温环境下会变成坚硬的固态物质,造成阀门结构损伤。NPS48 Class900全焊接管线球阀高温和低温环境模拟温度试验如2所示。环境模拟试验流程如下:

管线球阀环境模拟试验与分析

  1)常温性能试验及力矩测量。

  2)加温至85℃并全压差开关50次。

  3)高温性能试验及力矩测量。

  4)降至常温并全压差开关50次。

  5)降温至-46℃并全压差开关50次。

  6)低温性能试验及力矩测量。

  7)升至常温。

  8)常温第二次性能试验及力矩测量。

  9)数据分析。

四、结语

  管线球阀通过高温和低温环境模拟试验与分析,可以得出以下结论:

  1)高温和低温的环境模拟温度对管线球阀的密封性能影响不明显。

  2)高温和低温的环境模拟温度对管线球阀动作性能无显著影响。

  3)在低温的环境模拟温度下,力矩略有增加,但小于设计力矩,阀门执行机构选型安全系数均大于1.5,具有很高的安全系数。

  4)环境模拟试验对于管道的长周期安全、可靠运行具有重要意义,建议作为管线球阀出厂验收项目之一。

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