閥門低溫試驗節能性研究

郭懷舟，吳懷昆，朱紹源，王志剛，高紅彪

（1.合肥通用機械研究院有限公司，安徽 合肥 230088；2．中石化中原油建工程有限公司，河南 濮陽 457001）

隨著空分、液化天然氣、乙烯石化等工業的發展，低溫閥門的市場需求逐年上升，應用領域也越來越廣泛。低溫閥門作為低溫管道重要的控制元件，正在得到廣泛運用，需求量逐年上升。由于其運行工況惡劣，作用關鍵，因此性能考核嚴格，其低溫性能試驗是生產與使用過程中的一道關鍵工序。目前，閥門低溫性能試驗所執行的標準主要是GB/T 24925-2010、BS 6364:1984、MESC SPE 77/200 2012、JB/T 12622-2016 等標準規定。從試驗溫度上主要分為兩大類，一類以BS 6364為代表的標準要求試驗溫度為-196 ℃，用液氮作為試驗冷媒；另一類以GB/T 24925為代表的標準要求試驗溫度為工況溫度，用液氮和酒精的混合液作為試驗冷媒。試驗介質的選用原則是選取臨界溫度低于試驗溫度的氣體，從安全和經濟兩方面考慮，都是選用的氦氣或氮氣作為試驗介質。由于閥門低溫試驗的深冷環境主要是通過低溫液體吸收汽化潛熱的方式獲得，而低溫閥門的主體用材主要以304、304L、316、316L等Ni-Cr奧氏體不銹鋼為主，其熱容量大，需要換取大量的冷媒潛熱，才能降溫至試驗溫度。我國氦氣市場價格昂貴，而大口徑、高壓力的閥門低溫試驗消耗的氦氣量大。因此，減少液氮和氦氣的消耗，能夠直接節約試驗費用，降低產品成本，提高產品在市場上的價格優勢。

1 試驗冷媒的消耗

閥門低溫試驗過程中，冷媒的消耗主要由以下幾個部分組成：兌換金屬件的顯熱G1；沿程管道1的漏熱G2；低溫儲槽的漏熱G3。其中沿程管道采用低溫絕熱管道，以輻射換熱和內部對流換熱為主要換熱型式。低溫儲槽以外壁、槽蓋、槽底與空氣對流換熱和輻射換熱為主要換熱型式。冷媒消耗模型如圖1所示。

1.1 兌換金屬件的顯熱

圖1 冷媒消耗模型

液氮作為冷媒與金屬件的換熱消耗主要是液氮的汽化潛熱換取金屬件的顯熱。與液氮接觸換熱的部件主要是液氮輸送管道及管道元件，低溫儲槽內膽、被測閥、工裝。VALST低溫閥門深冷試驗裝置中低溫槽系列數據統計如表1所示。

表1 VALST低溫槽系列相關數據

為了便于計算，將換熱模型條件簡化為與液氮直接接觸的管道（不考慮保溫措施）內、外壁溫度一致，低溫儲槽液面以下內膽內、外壁溫度一致，被測閥和工裝都取整體質量。

換熱公式為：

其中：m1為液氮消耗的質量，m2為輸液管道質量，m3為液面下低溫儲內膽槽質量，m4為被測閥質量，m5為工裝質量，C為金屬件的比熱容，T1為環境溫度，T2為常壓下的液氮溫度。

1.2 沿程管道的漏熱

低溫試驗裝置冷媒的沿程管道采用低溫絕熱管道，VALST閥門低溫試驗裝置采用低溫絕熱管道中的高真空絕熱管道。環境通過輻射和對流換熱兩種方式將熱量傳遞到高真空絕熱管道的外表面，外表面通過熱導和輻射換熱兩種方式將熱量傳遞到高真空絕熱管道的內表面。

在穩態情況下，根據低溫傳熱學相關公式計算可得高真空絕熱管道單位外表面積漏熱量：

式中：q為高真空絕熱管道單位外表面積漏熱量；α為管道與環境之間的對流換熱系數，W（m·K）；Th為環境溫度，K；Tn為低溫液體的溫度，K；TW管道外表面溫度，K；ε為管壁面的發射率；σb為波爾曼茲常數；Rλ為總的表觀導熱熱阻。可見，降低真空管道內管外壁面和外管內壁面的表面發射率；降低管壁溫度；減少真空夾層中的殘留氣體是降低真空絕熱管道漏熱的有效手段。

1.3 低溫儲槽的漏熱

低溫儲槽的漏熱由槽體外壁與空氣的對流換熱和輻射換熱構成。取支撐結構漏熱量為總漏熱量的50%。假設環境溫度T0=300K，空氣相對濕度為80%，箱體外壁溫度為此環境下的露點溫度Td，外側空氣的計算定性溫度Ta=（T0+Td)/2，可查得此溫度下空氣的物性參數Ka=0.02594W/（m·K）；νa=15.58×10-6m2/s、Pr=0.7158。箱體外壁、箱底、箱蓋的綜合換熱系數公式如下：

其中L為特征長度，對于矩形，取兩個邊長的平均值。

總漏熱為如下公式：

其中：A1為槽體四壁面積，A2為槽蓋面積，A3為槽底面積。

可見，在低溫儲槽結構上利用“斷橋”結構，阻斷內膽與外壁的金屬連接，填充高分子絕熱材料，降低內膽與外壁的接觸熱阻，可以有效減小低溫儲槽的漏熱。

2 試驗介質的消耗

閥門低溫試驗用的增壓介質以氦氣為主，在做大口徑、高壓力的閥門低溫試驗時，氦氣的消耗量大。根據理想氣體狀態方程有：

一滿瓶氦氣壓力13MPa，水容積40L。閥門模型簡化為直徑取公稱通徑數值，長度取結構長度數值的圓筒結構，得到下式：

式中n為所需氦氣的瓶數；Kv為補容系數，取1.3～1.6；Kp為補壓系數，取1.18～1.63；P為試驗壓力（MPa）；D取閥門公稱通徑數值（mm）；L為閥門結構長度（mm）；T1為環境溫度（K）；T2為試驗溫度（K）。

根據計算，PN150、DN600的低溫球閥，進行一次低溫試驗需要消耗48瓶氦氣，價值8萬多人民幣，試驗成本太高。因此試驗介質回收顯得尤為重要，例如VALST低溫閥門深冷試驗裝置具有氦氣回收功能，回收率可達85%，在氦氣消耗上大大節約了資源，降低了試驗成本。

3 結語

通過對閥門低溫試驗中試驗冷媒與試驗介質消耗的分析，總結出消耗計算公式，并對閥門低溫試驗裝置在節能方面提出了優化建議。

[1]朱紹源.低溫閥門深冷試驗裝置設計[J].流體機械, 2009，(11):28-32.

[2]朱紹源.球閥的低溫試驗[J].流體機械,2012，(07):11-14.

[3]BS 6364:1984 Specification for Valves for cryogenic service[S].

[4]GB/T 24925-2010，低溫閥門 技術條件[S].

[5]朱紹源.閥門低溫試驗裝置的的節約型設計[J].機械設計與制造,2011,(7):245-247.

[6]聶宇宏,夏莉.輻射換熱對高真空多層絕熱管道漏熱量計算的影響[J].廣州航海學院學報, 2017,(2):27-29.

[7] 陳國邦,張鵬.低溫絕熱與傳熱技術[M].北京:科學出版社,2004.