一種利用理想氣體狀態方程對LNG低溫閥門進行泄漏檢測的方法

劉玉香

摘 要：LNG接收站主要工藝閥門用來對LNG進行切斷和流量、壓力調節，為保證生產期間尤其是預冷期間的安全，LNG接收站一些關鍵閥門需要達到5級甚至更高級別的泄漏等級。一般來說，施工單位對閥門泄漏測試方法主要是壓差法，該方法通常做法是閥前注入儀表風至閥門設計壓力，閥后保持微正壓，并安裝壓力表，通過檢測壓力表的變化來確定閥門是否泄漏，一般靜置24小時，壓力上升不超過10%為合格。該方法雖然操作簡單，但需要閥前壓力達到設計壓力，且在具體實施中存在偏差較大，科學性較差的缺陷。該方法檢測結果僅可作為參考，不為閥門廠家所承認。為此，在接收站開車前的閥門測漏過程中，按照理想氣體狀態方程，找到了一種計算閥門實際泄漏量的方法，較好地解決了傳統閥門測漏方法科學性較差、偏差太大的問題。為閥門設備廠家檢修閥門以及索賠提供了有說服力的依據。

關鍵詞：氣體狀態方程;測漏;應用

利用理想氣體狀態方程PV=NRT對閥門進行氣體泄漏測試，有間接壓差和直接測算兩種模式可供選擇。

1模式應用

1.1間接壓差模式

該模式是閥前和閥后分別升壓，要求閥前與閥后壓差在0.35MPa。根據廠家提供的閥門最大泄漏量，計算閥后每小時壓力變化允許的最高值。以此為基準，如果實際測得閥后壓力升高超出這個最高值即可確認該閥門不合格。

應用實例：

LNG 儲罐卸料上下進液閥門在罐底板預冷完成前必須保證上下進液關閉且無泄漏，以防止LNG直接進入儲罐。如該閥門泄漏將導致LNG噴濺到罐底板上，因為瞬間降溫將對罐底板造成重大損害。為此，必須保證儲罐上下進液的兩個閥門泄漏量不能超出標準。

測試分五步：

第一步：確定每小時最大泄漏氣體摩爾數N

按照廠家提供的該閥門的泄漏控制指標為小于1100個氣泡/分鐘，查相關標準知：每個氣泡為0.15毫升，故泄漏指標為165毫升/分，每小時允許泄漏為165*60=9900毫升=9.9升=0.442mol

第二步：測量閥后密閉管線的容積V

已知HV1003閥后管徑為DN1000，測得HV1003閥后距離進罐盲板處距離L為5米，計算閥后容積為V=0.785D2L=0.785*12*5=0.785*5立方米=3925升

第三步：閥前閥后升壓至壓差350 KPa并測得管線內氣體溫度T

將閥前升壓至450KPa，閥后升壓至100KPa;

測得管線內溫度為27℃，換算T=273+27=300K

第四步：計算閥后最大允許升壓值

根據理想氣體狀態方程，初始閥后至盲板處：

（1）初始：P1 V1 =N1RT1

P1= N1RT1/ V1

（2）1小時后：閥后壓力P2= N2RT2/ V2

1小時后閥后壓力增加值最大為△P= N2RT2/ V2-N1RT1/ V2

上式中：V2= V1=3925升

N2- N1=0.442mol（每小時允許泄漏摩爾數）

T2=T1=300K（管線進行保冷，可以將管線內溫度變化忽略不計，T2=T1）

R是常數8.314

所以：△P= N2RT2/ V2-N1RT1/ V1

=△NRT/V

=（0.442*8.314*300）/3925 =0.28 KPa

根據上述計算，該閥門每小時閥后升壓小于等于0.28 KPa為合格。

第五步：觀測閥后實際壓力增加值

9月19日下午19：00，閥門XV1007至HV1003閥之間壓力測得為450 KPa，HV1003閥后壓力測得為100 KPa，

20日上午10：20 測得HV1003閥后壓力為109 KPa。

經過15.3小時，閥后升壓為9 KPa，每小時升壓為0.59 KPa大于每小時最大允許升壓值（0.28 KPa）的設計標準，故該閥門不合格。

1.2泄漏量直接測算模式

該模式該模式是閥前和閥后分別升壓，要求閥前與閥后壓差在0.35MPa，通過閥后精確壓力表的變化值計算單位時間的泄漏量，與閥門廠家提供的允許最大泄漏值進行比較。

超出允許泄漏值即為不合格。

應用實例：

LNG卸船碼頭卸料支管的切斷閥要求泄漏等級達到5級，如果超出泄漏要求等級，在不卸料的狀態碼頭保冷循環的LNG將從該閥門泄漏至卸料臂雙球閥處，遇到雷電極易引發火災爆炸，為此需將該閥門進行側漏。

測試分五步：

第一步：確定閥門允許最大泄漏量

與該閥門廠家對接，出廠泄露等級為5級，最大泄漏量為4.7*管徑（管徑為英寸），該閥門為24英寸閥門，其最大泄漏量為：4.7*24=112.8毫升/分鐘

第二步：閥前閥后升壓至壓差350 KPa并測得管線內氣體溫度T

將閥前升壓至360KPa，閥后升壓至10KPa;

測得管線內溫度為27℃，換算T=273+27=300K

第三步：計算閥后密閉管線容積

已知閥后管徑為DN600，測得閥后距離卸料臂盲板處距離L為9米，計算閥后容積為V=0.785D2L=0.785*0.62*9=2.54立方米=2540升

第四步：觀測閥后一定時間內的升壓值（一般取24小時）

10月15日15：00測得閥后壓力為10 KPa，10月16日15：30測得閥后壓力為25KPa。

第五步：計算泄漏量

根據理想氣體狀態方程，初始閥后氣體摩爾數：

N1 = P1 V1/ RT1

24.5小時后，閥后氣體摩爾數：

N2= P2 V2/ RT2

泄漏摩爾數△N= N2-N1= V2 P2/RT2-V1 P1 / R T1

上式中：

V2= V1=V=2540升，P2=25KPa，P1=10 KPa

T2 =T1=T=300K ，R是常數8.314

代入上式：

△N=（P2-P1）V/RT=（25-10）*2540/8.314*300

=15.27mol=342升=342000毫升

每分鐘平均泄漏量為：

342000/（24.5*60）=232.7毫升/分鐘

與第一步確定的閥門允許最大泄漏量112.8毫升/分鐘相比較：

232.7毫升/分鐘>112.8毫升/分鐘

故判斷該閥門泄漏量超出標準，不合格。

2主要創新點

該方法利用理想氣體狀態方程，有效避免由于下游管線容積不同而帶來的測量偏差，提高了閥門泄漏量測試的準確性。

該方法在下游管線安裝有壓力變送器的情況下，可以連續、精確地測量出閥門在單位時間的泄漏量。

該方法解決了傳統側漏方法偏重定性無法定量的難題，實現了定量檢測，保證了科學性。

該方法有效利用了測試氣體在壓強不太大、溫度不太低的條件下非常接近理想氣體的性質，減少了偏差，簡化了計算過程。

3效果和推廣

利用上述方法對LNG接收站23個閥門進行了檢測，共發現7個閥門存在泄漏超標的問題。經閥門廠家現場打開閥門檢修孔進行檢查，確定7個閥門密封面損壞。從一個側面驗證了上述方法的科學性和準確性。更換密封面后，利用上述方法再次檢測，閥門均一次合格。但是該方法也存在一個需要改進的方面，那就是測試氣體（壓縮空氣）盡管接近理想氣體，但事實上與理想氣體有偏差，尤其是在測得泄漏量與最大允許泄漏量比較接近時，如何判斷閥門是否符合標準還存在不確定性。而氦氣與理想氣體更為接近，今后可以考慮利用氦氣進行側漏或者在利用壓縮空氣進行側漏時對泄漏量增加一個修正系數，這需要在今后長期的實踐中來驗證。

對LNG低溫閥門來說，關鍵位置的閥門泄漏將帶來嚴重后果。利用理想氣體狀態方程對閥門進行泄漏檢測，可以比較準確、快捷地判斷閥門泄漏是否符合標準，從而采取措施避免閥門內漏導致的事故，具有良好的社會效益。同時，該方法的科學性也為企業索賠提供了可靠依據。該方法可以依靠計算機建立快捷計算公式，方法可復制，具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]陶國慶，宋忠榮，余宏兵，等.LNG 工程用超低溫閥門的設計研究[J].流體機械，2015，（10）.47-51.