管线球阀环境模拟试验与分析

    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ASTMA350LF2或ASTMA516Grade70，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＝0.0254m）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2500kN。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。    

1.压力提供系统2.数据处理系统3.环境模拟仓4.测试升降台架

5.温度传感器6.试验阀门7.力矩测量装置

图1 环境模拟试验装置

    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。NPS48Class900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：

    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。

（a）85℃高温试验（b）-46℃低温试验（c）高压氮气试验

图2 环境模拟温度试验

    三、试验结果与分析

    1.密封性能

    在高温85℃和低温-46℃的环境模拟温度下，管线球阀按照API6D标准进行高压气体密封和低压气体密封测试均无可见泄漏，判定在高温85℃和低温-46℃的环境模拟温度对管线球阀的密封性能影响不明显。

    2.动作性能

    在高温85℃和低温-46℃的环境模拟温度下，管线球阀均经过50次全压差动作试验，管线球阀动作灵活、无卡阻。可以判定在高温85℃和低温-46℃的环境模拟温度对管线球阀的动作性能无显著影响。

    3.管线球阀力矩测试

    管线球阀在常温、高温、低温和第二次常温下的开关力矩测试结果对比见下表。

管线球阀在常温、高温、低温和第二次常温下的开关力矩测试结果对比表

    NPS48、Class900管线球阀设计力矩为186900N·m，管线球阀在低温-46℃力矩最大增加6.5%，但均小于设计力矩，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。    

    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。