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管線球閥環境模擬試驗與分析

來源：中國真空產業網 | 發布時間：2014-06-07 |

介紹了管線球閥環境模擬試驗的重要性、試驗溫度的確定、試驗裝置的建造以及試驗流程。管線球閥通過高溫和低溫環境模擬試驗與分析，可以得出環境模擬試驗對于管道的重要意義，建議作為管線球閥出廠驗收項目之一。
一、前言
　　在長輸管線建設中，管線球閥所處的環境變化多端。從北極圈到赤道，從高山到海底，從高原到沙漠，穿越地震帶、沼澤地、江河、湖泊和山坡等。有的懸空架設、也有直埋地下，在野外遠距離遙控操作，維修起來異常困難，因此管線球閥要求具有安全、可靠、長周期、無故障運行，一般免維護壽命不低于30年。產品從生產、包裝、運輸、裝卸及貯存到使用的過程中需經歷各種復雜的自然環境和誘發環境。1971年，美國對機載電子設備全年的故障進行剖析，50%以上的故障是由各種環境引起的，溫度(高低溫)、濕度、振動三項環境造成電子設備43.58%的故障率，其中溫度引起的故障占22.2%，由此可見環境溫度對產品運行可靠性影響之大。目前，在低溫環境下工作的管線球閥標準只對閥體、球體、閥座等材料低溫沖擊韌度提出要求，并不能驗證低溫環境下的密封、動作和力矩變化等綜合性能。因此，需對管線球閥在高溫和低溫環境溫度下的適應性進行深入分析，并建造環境模擬試驗裝置進行試驗。試驗的主要目的如下。
　　1)在高溫和低溫環境溫度的作用下，驗證管線球閥動作的可靠性和密封性能。
　　2)在高溫和低溫環境溫度的作用下，驗證管線球閥的力矩是否發生大的變化。
　　3)作為管線球閥型式試驗項目之一，探索是否作為管線球閥驗收項目。
二、環境模擬試驗
　　1、環境模擬試驗溫度的確定管線球閥在服役過程中，影響環境溫度變化的因素如下：
　　1)由地理位置引起的環境溫度變化。世界干熱氣候區的工作溫度為32～49℃，誘發溫度為33～71℃；極冷氣候區的工作溫度為-51℃以下。
　　2)由季節引起的環境溫度變化。由于地球的公轉和自轉呈周期性變化，出現春、夏、秋、冬的循環。由于這種溫度變化是比較緩慢的，它對產品產生一定的溫度效應。
　　3)由日夜引起的環境溫度變化。美國軍用標準MIL-STD-810D中給出的熱氣候區高溫日循環溫度表中，工作最高溫度49℃出現在16：00，誘發最高溫度71℃出現在15：00。由于這種溫度變化是比較大的，它對產品產生較大的溫度效應。
　　管線球閥所處的環境溫度一般從低溫-46℃到高溫85℃，閥體材料選用ASTM A350 LF2或ASTM A516Grade 70，最低使用溫度為-46℃。在-51℃以下的極冷(C3)氣候區建造管道的可能性很低，因此將環境模擬試驗溫度確定為-50～93℃，可滿足管線球閥所處環境溫度-46～85℃的試驗要求。
　　2、環境模擬試驗裝置的建造
　　美國在阿拉斯加原油管線建設時，為了試驗閘閥的性能，特地在費爾班克斯地區，在線路走向設計閥門的位置上結合永久工程架設了150in(1in=0.025 4m)的試驗段，并安裝了一個截斷閥，所有架設方法都與后續施工完全相同。這一設施是專門為考驗閥門是否能度過北極的冬季，這是管線閥門環境模試驗裝置的雛型。
　　環境模擬試驗裝置如圖1所示，主要由壓力提供系統、數據處理系統、環境模擬倉、測試升降臺架、溫度傳感器、試驗閥門和力矩測量裝置組成。壓力提供系統最高壓力為70MPa，試驗介質為高壓氮氣。數據處理系統可將環境模擬倉的控制系統、溫度傳感器數據接收后，采用專用測試分析軟件進行分析，最終以圖表的形式顯示測試結果。環境模擬倉由箱體、空氣調節裝置、控制系統和導軌組成。箱體的容積為150m3，高度為5m。空氣調節裝置主要由制冷系統、加熱系統和離心送風機組成，可滿足-50～93℃試驗溫度要求。控制系統包括溫度傳感器和控制器，控制器采用平衡調溫的控制方式。導軌可承重60t，試驗閥門安裝在測試升降臺架通過導軌可方便進出環境模擬倉。測試升降臺架的雙作用液壓缸用于調整測試閥門的高度，單個雙作用液壓缸最大拉力為2 500kN。溫度傳感器安裝于試驗閥門的底部、中部和上部，用于測量試驗閥門試驗時低溫和高溫的溫度，測試結果通過數據處理系統分析。由于試驗介質為高壓氮氣，為保證試驗的安全性，試驗閥門兩端焊接球形封頭。通過壓力提供系統可對試驗閥門在常溫、高溫和低溫不同溫度下進行密封性能測試和分析比較。力矩測量裝置用于試驗閥門在常溫、高溫和低溫不同溫度下的開關力矩，力矩測量裝置可根據測試管線球閥規格不同進行配置。
　　3、環境模擬試驗流程
　　管線球閥環境模擬試驗前，需進行超聲波清洗和脫脂，因為油脂和水分在-46℃的低溫環境下會變成堅硬的固態物質，造成閥門結構損傷。NPS48 Class900全焊接管線球閥高溫和低溫環境模擬溫度試驗如2所示。環境模擬試驗流程如下：
　　1)常溫性能試驗及力矩測量。
　　2)加溫至85℃并全壓差開關50次。
　　3)高溫性能試驗及力矩測量。
　　4)降至常溫并全壓差開關50次。
　　5)降溫至-46℃并全壓差開關50次。
　　6)低溫性能試驗及力矩測量。
　　7)升至常溫。
　　8)常溫第二次性能試驗及力矩測量。
　　9)數據分析。
四、結語
　　管線球閥通過高溫和低溫環境模擬試驗與分析，可以得出以下結論：
　　1)高溫和低溫的環境模擬溫度對管線球閥的密封性能影響不明顯。
　　2)高溫和低溫的環境模擬溫度對管線球閥動作性能無顯著影響。
　　3)在低溫的環境模擬溫度下，力矩略有增加，但小于設計力矩，閥門執行機構選型安全系數均大于1.5，具有很高的安全系數。
　  ； ；4)環境模擬試驗對于管道的長周期安全、可靠運行具有重要意義，建議作為管線球閥出廠驗收項目之一。