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管线球阀环境模拟试验与分析

管线球阀环境模拟试验与分析
发布者:管线球阀环境模拟试验与分析  

   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**、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**、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。**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*高温度49℃出现在16∶00,诱发*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,*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**阀门的位置上结合**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*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,*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*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**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

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

(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

 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**力矩为186900N·m,管线球阀在低温-46℃力矩*大增加6.5%,但均小于**力矩,阀门执行机构选型**系数均大于1.5,具有很高的**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**力矩,阀门执行机构选型**系数均大于1.5,具有很高的**系数。

    4)环境模拟试验对于管道的长周期**、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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