LNG用超低温球阀中腔泄压规律的试验

赵龙龙，张翼，李靖，程佳，邵宏智，孔祥博，张鹏珍

（西安泵阀总厂有限公司， 陕西 西安 710025）

近年来随着我国能源结构的调整，液化天然气（LNG）这种清洁、高效、环保的能源使用量急剧增加，在天然气的液化及液化天然气的运输、贮存等方面对低温球阀的需求量随之急剧增加。

由于LNG易燃、易爆、气液比大（-162℃低温液化后与常温气体的体积比为1:625）等特点，在LNG装置上使用的球阀不仅要有可靠的密封性，还要有良好的中腔超压自动泄压功能。要满足这两项功能可采用API 6D DIB-2结构设计的SPE-DPE组合阀座，既能在介质流入侧形成双重密封，满足密封性要求；又能满足中腔超压自动泄放功能。

根据API 6D规范对球阀腔体泄压和排放的规定：阀体泄放装置应避免腔体内的压力超过阀门额定压力的1.33倍，采用API 6D DIB-2结构设计的SPE-DPE组合阀座，应具备当阀腔压力在设计压力的1.0～1.33倍之间时，阀门应能自动向阀门的上游端泄压，下游端仍能保证密封，以提高阀门的密封能力，保证阀门在管线上安全可靠地运行。

1 试验方案

针对DIB-2结构设计的SPE-DPE组合阀座，提出以下试验方案：阀门上游进压至设计压力在中腔检漏，等压力稳定后上游保压，记录上游压力变送器数值P（保压过程中保证压力变送器与上游阀体内腔相通）；连接试压接头从中腔进压，下游检漏，中腔压力缓慢升高的过程中观察上游压力表的数据变化，当上游压力表数值开始持续上升时，停止中腔进压，记录此时中腔试验压力PZ，直至中腔压力完全泄放至上游，两端压力平衡时，则PZ即中腔超压泄放的压力。简图如图1。

2 实验设备与试验数据

采用合肥通用机械研究院研制的低温阀门深冷试验系统VALST3.0进行试验，该设备采用压力变送器对试压压力进行实时监测，系统内置压力变送器量程为：0-30MPa；精度：0.25%；读数精度为：0.01MPa；用于监测上游压力的压力变送器精度和系统内置压力变送器精度相同，试验时上游压力可通过压力变送器实时监测，中腔压力可通过现场控制柜实时监测，当中腔超压泄放导致上游压力升高可通过压力变送器准确察觉，记录中腔泄放压力。

图1 DIB-2低温球阀中腔自泄压试验方案简图

使用以上试验方案和试验设备，我公司对一台自主生产压力等级为900LB的顶装式LNG用超低温球阀进行了中腔超压泄放试验。为便于对阀门中腔超压泄放规律进行研究，本次试验对该阀门在各个压力阶段的中腔泄放压力进行了测试，并将其中腔泄放压力与上游压力的比值的实测值和理论值进行了比较，总结出了相关规律，试验数据如表1。

表1

从试验结果可以看出：不管是实测值还是理论计算值，阀门中腔泄放压力与上游压力的比值都有随上游压力的上升其比值变小的趋势，并且低压段更明显。其中腔泄放压力与上游压力的差值△P，总体上也存在这种随上游压力的上升其差值△P有变小的趋势。从数据来看：在低压段其中腔泄放压力与上游压力的比值实测值较理论计算值有10%左右的差别，原因是低压段弹簧预紧力与唇形圈摩擦力对中腔泄放的压力的影响较大，而弹簧力尤其是碟簧其弹簧力随变形量的变化较大，而碟簧的变形量在实际装配后，由于装配累计误差很难测出其准确值，其弹簧力不可能计算得十分准确；再加上唇形圈磨擦力也受唇形圈弹簧弹力和阀体、阀座粗糙度等多种因素的影响，其摩擦力很难计算出准确值，所以在低压段实测值与理论计算值存在差异，而在高压段其实测值与理论计算值只有2%左右的差异。试验数据和理论计算的数据在低压段有差异，在高压段基本吻合，说明数学模型建立是正确的，但碟簧弹力和唇形圈磨擦系数摩擦力的计算还需要进一步与生产厂家沟通联系，取得更多工程数据，同时也可通过自主试验来获取更准确的数据，优化计算模型，准确地计算出中腔泄放压力，减少设计更改次数，减少不必要的成本浪费。

3 总结与展望

通过以上对这台阀门的试验及与对试验结果的分析，可以看出，该种试验方案和试验设备可以比较准确地测出DIB-2低温阀门的中腔超压泄放值，为阀门的安全应用和中腔泄压理论计算数学模型的建立提供可靠的试验支持。

该实验如能优化以下两点，将使试验结果和计算结果更加准确，为阀门的安全、高效运行提供有力的保障。

(1)由于试验过程中上游压力增加时，要人工观察记录中腔泄放压力，这个过程难免会发生人为误差，将对试验结果有一定影响。后期可通过自动控制系统采集上游压力和中腔压力的数值，通过数据处理系统，当中腔压力向上游泄放时，自动记录中腔压力峰值，并由系统停止中腔进压，这样测出来的试验数据将更加准确，更有说服力。

(2)由于唇形圈摩擦力计算值受很多因素影响，很难计算出其准确值，所以后期可通过试验实测出唇形圈摩擦力，为唇形圈的摩擦力计算数学模型的建立提供可靠的试验基础，再对其摩擦力的计算模型进行优化，使计算结果更准确，设计更加合理，更好地指导设计及生产制造工作。

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