一种利用理想气体状态方程对LNG低温阀门进行泄漏检测的方法

刘玉香

摘 要：LNG接收站主要工艺阀门用来对LNG进行切断和流量、压力调节，为保证生产期间尤其是预冷期间的安全，LNG接收站一些关键阀门需要达到5级甚至更高级别的泄漏等级。一般来说，施工单位对阀门泄漏测试方法主要是压差法，该方法通常做法是阀前注入仪表风至阀门设计压力，阀后保持微正压，并安装压力表，通过检测压力表的变化来确定阀门是否泄漏，一般静置24小时，压力上升不超过10%为合格。该方法虽然操作简单，但需要阀前压力达到设计压力，且在具体实施中存在偏差较大，科学性较差的缺陷。该方法检测结果仅可作为参考，不为阀门厂家所承认。为此，在接收站开车前的阀门测漏过程中，按照理想气体状态方程，找到了一种计算阀门实际泄漏量的方法，较好地解决了传统阀门测漏方法科学性较差、偏差太大的问题。为阀门设备厂家检修阀门以及索赔提供了有说服力的依据。

关键词：气体状态方程;测漏;应用

利用理想气体状态方程PV=NRT对阀门进行气体泄漏测试，有间接压差和直接测算两种模式可供选择。

1模式应用

1.1间接压差模式

该模式是阀前和阀后分别升压，要求阀前与阀后压差在0.35MPa。根据厂家提供的阀门最大泄漏量，计算阀后每小时压力变化允许的最高值。以此为基准，如果实际测得阀后压力升高超出这个最高值即可确认该阀门不合格。

应用实例：

LNG 储罐卸料上下进液阀门在罐底板预冷完成前必须保证上下进液关闭且无泄漏，以防止LNG直接进入储罐。如该阀门泄漏将导致LNG喷溅到罐底板上，因为瞬间降温将对罐底板造成重大损害。为此，必须保证储罐上下进液的两个阀门泄漏量不能超出标准。

测試分五步：

第一步：确定每小时最大泄漏气体摩尔数N

按照厂家提供的该阀门的泄漏控制指标为小于1100个气泡/分钟，查相关标准知：每个气泡为0.15毫升，故泄漏指标为165毫升/分，每小时允许泄漏为165*60=9900毫升=9.9升=0.442mol

第二步：测量阀后密闭管线的容积V

已知HV1003阀后管径为DN1000，测得HV1003阀后距离进罐盲板处距离L为5米，计算阀后容积为V=0.785D²L=0.785*1²*5=0.785*5立方米=3925升

第三步：阀前阀后升压至压差350 KPa并测得管线内气体温度T

将阀前升压至450KPa，阀后升压至100KPa;

测得管线内温度为27℃，换算T=273+27=300K

第四步：计算阀后最大允许升压值

根据理想气体状态方程，初始阀后至盲板处：

（1）初始：P1 V1 =N1RT1

P1= N1RT1/ V1

（2）1小时后：阀后压力P2= N2RT2/ V2

1小时后阀后压力增加值最大为△P= N2RT2/ V2-N1RT1/ V2

上式中：V2= V1=3925升

N2- N1=0.442mol（每小时允许泄漏摩尔数）

T2=T1=300K（管线进行保冷，可以将管线内温度变化忽略不计，T2=T1）

R是常数8.314

所以：△P= N2RT2/ V2-N1RT1/ V1

=△NRT/V

=（0.442*8.314*300）/3925 =0.28 KPa

根据上述计算，该阀门每小时阀后升压小于等于0.28 KPa为合格。

第五步：观测阀后实际压力增加值

9月19日下午19：00，阀门XV1007至HV1003阀之间压力测得为450 KPa，HV1003阀后压力测得为100 KPa，

20日上午10：20 测得HV1003阀后压力为109 KPa。

经过15.3小时，阀后升压为9 KPa，每小时升压为0.59 KPa大于每小时最大允许升压值（0.28 KPa）的设计标准，故该阀门不合格。

1.2泄漏量直接测算模式

该模式该模式是阀前和阀后分别升压，要求阀前与阀后压差在0.35MPa，通过阀后精确压力表的变化值计算单位时间的泄漏量，与阀门厂家提供的允许最大泄漏值进行比较。

超出允许泄漏值即为不合格。

应用实例：

LNG卸船码头卸料支管的切断阀要求泄漏等级达到5级，如果超出泄漏要求等级，在不卸料的状态码头保冷循环的LNG将从该阀门泄漏至卸料臂双球阀处，遇到雷电极易引发火灾爆炸，为此需将该阀门进行侧漏。

测试分五步：

第一步：确定阀门允许最大泄漏量

与该阀门厂家对接，出厂泄露等级为5级，最大泄漏量为4.7*管径（管径为英寸），该阀门为24英寸阀门，其最大泄漏量为：4.7*24=112.8毫升/分钟

第二步：阀前阀后升压至压差350 KPa并测得管线内气体温度T

将阀前升压至360KPa，阀后升压至10KPa;

测得管线内温度为27℃，换算T=273+27=300K

第三步：计算阀后密闭管线容积

已知阀后管径为DN600，测得阀后距离卸料臂盲板处距离L为9米，计算阀后容积为V=0.785D²L=0.785*0.6²*9=2.54立方米=2540升

第四步：观测阀后一定时间内的升压值（一般取24小时）

10月15日15：00测得阀后压力为10 KPa，10月16日15：30测得阀后压力为25KPa。

第五步：计算泄漏量

根据理想气体状态方程，初始阀后气体摩尔数：

N1 = P1 V1/ RT1

24.5小时后，阀后气体摩尔数：

N2= P2 V2/ RT2

泄漏摩尔数△N= N2-N1= V2 P2/RT2-V1 P1 / R T1

上式中：

V2= V1=V=2540升，P2=25KPa，P1=10 KPa

T2 =T1=T=300K ，R是常数8.314

代入上式：

△N=（P2-P1）V/RT=（25-10）*2540/8.314*300

=15.27mol=342升=342000毫升

每分鐘平均泄漏量为：

342000/（24.5*60）=232.7毫升/分钟

与第一步确定的阀门允许最大泄漏量112.8毫升/分钟相比较：

232.7毫升/分钟>112.8毫升/分钟

故判断该阀门泄漏量超出标准，不合格。

2主要创新点

该方法利用理想气体状态方程，有效避免由于下游管线容积不同而带来的测量偏差，提高了阀门泄漏量测试的准确性。

该方法在下游管线安装有压力变送器的情况下，可以连续、精确地测量出阀门在单位时间的泄漏量。

该方法解决了传统侧漏方法偏重定性无法定量的难题，实现了定量检测，保证了科学性。

该方法有效利用了测试气体在压强不太大、温度不太低的条件下非常接近理想气体的性质，减少了偏差，简化了计算过程。

3效果和推广

利用上述方法对LNG接收站23个阀门进行了检测，共发现7个阀门存在泄漏超标的问题。经阀门厂家现场打开阀门检修孔进行检查，确定7个阀门密封面损坏。从一个侧面验证了上述方法的科学性和准确性。更换密封面后，利用上述方法再次检测，阀门均一次合格。但是该方法也存在一个需要改进的方面，那就是测试气体（压缩空气）尽管接近理想气体，但事实上与理想气体有偏差，尤其是在测得泄漏量与最大允许泄漏量比较接近时，如何判断阀门是否符合标准还存在不确定性。而氦气与理想气体更为接近，今后可以考虑利用氦气进行侧漏或者在利用压缩空气进行侧漏时对泄漏量增加一个修正系数，这需要在今后长期的实践中来验证。

对LNG低温阀门来说，关键位置的阀门泄漏将带来严重后果。利用理想气体状态方程对阀门进行泄漏检测，可以比较准确、快捷地判断阀门泄漏是否符合标准，从而采取措施避免阀门内漏导致的事故，具有良好的社会效益。同时，该方法的科学性也为企业索赔提供了可靠依据。该方法可以依靠计算机建立快捷计算公式，方法可复制，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]陶国庆，宋忠荣，余宏兵，等.LNG 工程用超低温阀门的设计研究[J].流体机械，2015，（10）.47-51.