氮氣式水擊泄壓閥試驗平臺設計和試驗研究

王軍防

（國家管網集團 東部原油儲運有限公司 科技研發中心，江蘇徐州 221008）

0 引言

目前，國內外現有氮氣式水擊泄壓閥由于自身原理限制，在水擊工況下泄壓開度小，泄壓能力受限，在嚴重的水擊工況下會面臨泄壓能力不足，嚴重威脅管線安全［1-3］。氮氣式水擊泄壓閥由主閥和氮氣供應系統組成，如圖1所示。主閥采用氮氣直接作用的軸流式結構。氮氣控制系統由氮氣柜對氮氣進行調壓和氮氣壓力監控；當低于設定值時可及時補壓，防止因泄壓能力不足導致的安全隱患［4-6］。氮氣式水擊泄壓閥為原油管線重要的安全設備，研制時必須對其功能和關鍵性能進行充分的試驗驗證。

圖1 DN200 CL600氮氣式水擊泄壓閥結構示意Fig.1 Structuredrawing of DN200 Cl600 nitrogen type water hammer relief valve

由于氮氣式水擊泄壓閥的工作壓力較高、流量大，目前，國內對可滿足高壓、高流要求的液流試驗臺的研究和應用并不多，大部分試驗臺并未針對高壓、高流的試驗需求進行專門設計，通用性也不足，還存在安全性較低、試驗精度不足等技術缺陷［7］。在實際工程中，為了實現對氮氣式水擊泄壓閥等特殊閥門的可靠性評估，可以采取多種技術手段，而液流試驗平臺作為多種檢測手段的核心裝置，具有重要的研究價值［8-9］。

本文設計并搭建了一種專門解決高壓、高流氮氣式水擊泄壓閥的試驗臺，提出4種專有測試方法，實際測試閥門各項關鍵性數據，驗證了其整體系統的強度、密封等性能，保證了操作過程的安全性和試驗結果的準確性，使得所設計的液流試驗臺可兼顧可靠性檢測和各項具體試驗需求。

1 液流試驗平臺設計

氮氣式水擊泄壓閥為原油管線重要的安全設備，研制時必須對其功能和關鍵性能進行充分的試驗驗證［10］。針對其高壓力、大流量的特點，本文設計一套泄壓閥性能測試的液流試驗平臺。

1.1 試驗平臺設備組成及參數

液流試驗平臺主要部件包括高壓泵、旁路管、閥后調節閥、閥前調節閥、旁路調節閥、氮氣式水擊泄壓泵、氮氣瓶（2個）、主管路等，該試驗平臺主管路直徑為DN250，最大增壓能力為5 MPa，最大流量為400 m3/h。

1.2 試驗平臺工作原理

液流試驗平臺原理如圖2所示。試驗時，先將調節閥2和調節閥3全開，通過氮氣瓶1、氮氣瓶2以及減壓器調節所需氮氣腔壓力，并通過給水泵供水，高壓泵增壓，調節閥1調節所需閥前入口的壓力，最后通過快速啟閉調節閥3來模擬水擊工況。

圖2 液流試驗系統原理示意Fig.2 Schematic diagram of liquid flow test system

通過監測進口壓力傳感器P2、出口壓力傳感器P3、氮氣腔壓力傳感器P1以及主閥閥位指示器上的位移傳感器，獲得對應的監測數據。通過上述傳感器采集到的信號，分析各個壓力曲線和閥位位移曲線來進行氮氣式水擊泄壓閥的一系列動態性能試驗。

1.3 試驗平臺優越性

相比于現存的液流試驗系統，本試驗平臺在給水泵后單獨設置高壓泵，并配以調節閥1調節對應的壓力，從而有更大的增壓能力，流量也更大，能夠滿足測量氮氣式水擊泄壓閥和氮氣供應系統結構強度、密封性能、動作可靠性和整閥系統的可靠性的試驗要求。

2 試驗方法

試驗中將選擇某一型號的氮氣式水擊泄壓閥主閥分別進行各項試驗。分別對氮氣腔壓力為1，2，3，4，5 MPa的工況（工況 1～5）進行試驗驗證。同時，在研制過程中摸索出如下一系列試驗驗證方法［11-12］。

2.1 設定壓力、響應時間和設定壓力誤差試驗

在試驗過程中，通過控制旁路的快速啟閉來模擬水擊。當閥前壓力跟氮氣腔壓力及彈簧作用力相平衡時，閥芯達到一個臨界狀態，此時的閥前壓力為設定壓力。以閥芯處于平衡狀態到入口壓力隨時間變化的斜率出現明顯突變的時間為響應時間。理論設定壓力為1.08倍的氮氣腔壓力，實際設定壓力與理論設定壓力之間的誤差為設定壓力誤差［13］。

從圖3可看出，水擊工況下，閥前壓力瞬時增大，當達到設定壓力判定線時，閥前壓力出現明顯的拐點，氮氣腔壓力出現明顯的斜率突變，在該點處的閥前壓力與氮氣腔壓力、彈簧作用力可以達到短暫的平衡，然而此時的閥前壓力為設定壓力。在閥前壓力達到設定壓力后，由于閥芯、閥座和閥座密封圈存在一定的死區，在閥芯處于死區時，氮氣腔壓力略微升高，并處于波動狀態，閥芯需脫離死區后才能開啟，從設定壓力至脫離死區所用的時間為響應時間，即設定壓力判定線和閥芯動作判定線之間的時間段為響應時間。設定壓力判定線所對應的氮氣腔壓力乘以1.08為理論設定壓力，理論設定壓力與實際設定壓力之間的誤差為設定壓力誤差。

圖3 設定壓力和響應時間試驗結果Fig.3 Setting pressure and response time tests

2.2 回座壓力和回座時間試驗

在試驗過程中，當消除水擊工況后，閥前壓力逐漸減小，直至閥芯回座，此時的閥前壓力為回座壓力；從回座時達到設定壓力至閥芯回座的時間為回座時間［14］。

從圖4可看出，當閥位位移曲線的斜率剛好為零時的閥前壓力為回座壓力，設定壓力等效線和回座壓力判定線之間的時間段為回座時間。

圖4 回座壓力和回座時間試驗結果Fig.4 Return pressure and return time tests

2.3 閥位指示跟隨性試驗和重復性試驗

在設定壓力和回座壓力的測試過程中，通過閥位傳感器和閥前后及氮氣腔壓力傳感器實測數據的同步性來判斷閥位指示的跟隨性。在同一工況下，通過多次重復試驗，記錄閥位最大值之間的誤差，來判定其重復性試驗誤差。

2.4 大流量快速泄壓系統試驗

大流量快速泄壓系統試驗曲線如圖5所示，臨界線1為第2次快速泄壓試驗中閥前壓力的波谷（第2次低壓壓力開關觸發值），此時氮氣腔壓力和閥位位移均處于峰值、進出站流量處于波谷，表明氮氣腔被壓縮，閥門處于該工況下的最大開度。臨界線2為第3次快速泄壓試驗中閥前壓力的波峰（第3次高壓壓力開關觸發值），此時的情況與臨界線1剛好相反，閥門處于該工況下的最小開度。臨界線3為第3次快速泄壓試驗中閥前壓力的波谷（第3次低壓壓力開關觸發值），此時的情況與臨界線1相同，完成了一個周期的泄壓和回座。其中，臨界線1與臨界線2之間的時間為氮氣腔沖壓時間，即閥芯回座時間；臨界線2與臨界線3之間的時間為閥門泄壓時間。

圖5 大流量快速泄壓系統試驗Fig.5 High flow and rapid pressure relief system test

上述4種方法定義了設定壓力、響應時間、設定壓力誤差、回座壓力和回座時間等重要概念，提出了在同一工況下，多次重復試驗，記錄閥位最大值誤差，來判定其重復性試驗誤差，在大流量快速泄壓系統試驗中，通過3條臨界線，找到對應工況的閥門最大最小開度。

對比相關安全閥標準，結合大量的試驗和分析數據表明，以上4種試驗方法有效可行，能夠對高工作壓力、較大流量的氮氣式水擊泄壓閥的各項試驗指標進行準確的驗證。

3 驗證試驗及結果分析

為驗證所設計的試驗平臺和試驗方法，搭建了如圖6所示的一套泄壓閥液流試驗平臺，并對一臺已知型號及性能參數的泄壓閥進行前述4項性能試驗，并將試驗結果與其性能參數進行對比，從而驗證試驗平臺有效性。

圖6 液流試驗平臺Fig.6 Flow test bed

3.1 驗證試驗

3.1.1 研究性能試驗

本文試驗選用型號為200YXY-100D的氮氣式水擊泄壓閥主閥分別進行設定壓力試驗、響應時間試驗、回座壓力試驗和閥位指示跟隨性試驗，泄壓閥主要技術參數見表1。

表1 200YXY-100D主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of 200YXY-100D

以氮氣腔壓力5 MPa為例，其各種工況下的氮氣腔壓力、閥前壓力和閥位位移曲線如圖7～9所示。

圖7 設定壓力試驗結果Fig.7 Results of set pressure test

圖8 回座壓力試驗結果Fig.8 Results of reseating pressure test

圖9 閥位跟隨性試驗結果Fig.9 Results of valve position following test

針對氮氣腔壓力分別為 1，2，3，4，5 MPa的實際工況（工況1～5），通過對氮氣式水擊泄壓閥強度、密封、動作及各種壓力工況的設定壓力、響應時間、回座壓力及閥位指示等性能進行試驗研究，獲取的試驗參數見表2。

表2 各工況下氮氣式水擊泄壓閥的性能參數Tab.2 performance parameters of nitrogen water hammer pressure relief valve under various working conditions

3.1.2 動作性能試驗

利用圖6所示的試驗系統，對氮氣腔壓力為2 MPa工況下的氮氣式水擊泄壓閥主閥進行了100次動作試驗。圖10示出動作試驗的部分壓力曲線和位移曲線。

圖10 氮氣式水擊泄壓閥動作試驗壓力和位移曲線Fig.10 pressure and displacement curve of nitrogen type water hammer relief valve action test

3.2 結果分析

由上述試驗結果可得到以下結論：

（1）該型號泄壓閥真實的設定壓力與氮氣腔壓力比值為1.08，通過對5種工況各進行3次水擊試驗，試驗平臺測試數據分別為1.086，1.081，1.09，1.094，1.082，與閥的真實性能誤差最大不超過0.85%；

（2）設備運行過程中，該型號泄壓閥真實的開啟時響應時間均小于100 ms，平臺通過對5種工況各進行3次水擊試驗，測試的響應時間分別為 72.33，71.47，73.65，72.65，43.9 ms，均滿足該型號泄壓閥真實響應時間；

（3）該型號泄壓閥真實回座壓力不小于90%設定壓力，平臺測試的回座壓力與設定壓力的比值均在90%以上；

（4）試驗臺的閥位指示靈敏，動作可靠，閥位重復試驗誤差均小于0.5%，可以滿足對泄壓閥的測試精度要求

（5）動作性能試驗過程中，試驗臺的閥位指示的重復性和跟隨性良好，各壓力和位移值均相對穩定且密封性滿足要求。

3.3 試驗總結

在本次試驗中，對所搭建的液流試驗平臺采用4項試驗方法，以氮氣腔壓力為1～5 MPa為例，對型號為200YXY-100D的氮氣式水擊泄壓閥進行試驗。平臺測試得到的設定壓力、響應時間、回座壓力、設定壓力誤差、閥位重復性試驗誤差均與真實各項性能指標誤差較小。動作性能試驗也表明試驗臺閥位指示的重復性和跟隨性良好，密封性滿足要求。上述結果可證明文章所設計和搭建的液流試驗平臺與4種試驗方法的有效性。

4 結語

為了對一些高工作壓力、大流量氮氣式水擊泄壓閥的功能和關鍵性能進行充分試驗驗證，本文設計搭建了一種氮氣式水擊泄壓閥液流試驗平臺，并介紹了該試驗平臺的結構特點和工作原理。采用型號為200YXY-100D的氮氣式水擊泄壓閥對試驗平臺進行試驗，并在試驗過程中得出4種有效的試驗方法，試驗結果證明該液流試驗平臺的有效性，為氮氣式水擊泄壓閥等對壓力、流量有較高要求的設備測試試驗研究奠定基礎。