LNG固定球閥測試詳解及改進

吳孔燕 蔡毅 劉智 葉志強 張智博

【摘要】LNG球閥需對液態天然氣和伴有氣化后的天然氣進行密封，故LNG球閥驗收必須進行常溫測試和低溫測試。實際測試中常溫測試和低溫測試執行標準不同，存有設備不通用、工序繁多、二次污染、前后性能指標關聯性不強等問題，造成實際生產效率不高、試驗一次合格率低下、成本高。通過對測試目的分析，作出三點改進：氮氣取代水和空氣、合并測試設備、調整泄壓參數。常溫采用氮氣作為試驗介質完全解決了積水結冰破壞閥門的情況，合并測試設備減少人工成本和測試時間，壓差式自泄壓節省了寶貴的氦氣。改進后測試程序科學合理，產品質量更加穩定，適用于工業化大規模生產。

【關鍵詞】LNG球閥；低溫測試；SPE；DPE；自泄壓

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.039

Detailed Explanation and Improvement of LNG Fixed Ball Valve Test

WU Kongyan1，CAI Yi2*，LIU Zhi2，YE Zhiqiang2，ZHANG Zhibo2

（1.Jiangmen Xinhui Special Sealing Technology Co.，Ltd.，Jiangmen 529080，China；2.Special Technology Valve Group Co.，Ltd.，Wenzhou 325103，China）

Abstract：LNG ball valve needs to seal the liquid natural gas and the natural gas after gasification，so the acceptance of LNG ball valve must be subject to normal temperature test and low temperature test. In the actual test，the implementation standards of normal temperature test and low temperature test are different，and there are problems such as the equipment is not universal，the process is numerous，the secondary pollution，and the correlation between the performance indicators before and after the test is not strong，resulting in the actual production efficiency is not high，the first pass rate of the test is low，and the cost is high. Through the analysis of the test purpose，three improvements were made：nitrogen replacing water and air，merging the test equipment，and adjusting the pressure relief parameters. Nitrogen is used as the test medium at normal temperature to completely solve the problem of water and ice damage to the valve. The combination of test equipment reduces the labor cost and test time，and the differential pressure self-relief saves valuable helium. The improved test procedure is scientific and reasonable，and the product quality is more stable，which is suitable for industrial mass production.

Key words：LNG ball valve；low temperature test；SPE；DPE；self-relief

我國是世界天然氣第一進口大國，截取2020年數據，天然氣年進口總量為7880萬噸，其中LNG約占進口總量的33.5%。當前我國LNG儲備能力嚴重不足，在此背景下國家開始大規模建設儲氣庫。LNG固定球閥以其流量系數大、密封性能優良、安全系數高、啟閉迅速、扭矩小、自動化靈敏等諸多優點，在儲氣庫系統中廣泛應用，其約占系統閥門總需求的75%。LNG固定球閥閥座多采用SPE+DPE模式[1]，因其工況和結構的特殊性，其測試過程煩瑣，測試介質容易造成閥腔二次污染。準確解讀標準含義，充分理解工作原理，選擇適合的測試方案，提高工業化生產效率非常必要。

1LNG固定球閥結構

LNG固定球閥密封特點：在球閥關閉狀態，LNG因溫度變化將導致閥門中腔氣化體積劇烈膨脹，如無法及時排出或者排出方向錯誤都易產生爆燃事故。為了保證安全，結構上通常采用SPE+DPE模式。中腔壓力異常升高，SPE端閥座自動脫離球體，介質向上游泄壓。DPE端借助中腔壓力更加趨近球體，密封比壓進一步提高，可有效阻止介質向下游泄漏，避免事故擴大。SPE+DPE的組合模式安全性和經濟性突出，在LNG行業被廣泛采用[2]。

2常溫測試

試驗項目整理后如下：

1）殼體水壓試驗：鋼制閥門殼體試驗壓力為38℃時最大允許工作壓力的1.5倍，試壓壓力值應該加大圓整到臨近0.1 Mpa，查詢GB/T 12224—2015《鋼制閥門一般要求》標準，F304在-29℃到38℃之間Class150的壓力-溫度額定值為1.90 Mpa。則常溫殼體試驗壓力為2.85 Mpa，向上圓整后為2.9 Mpa。在放空閥位置排凈氣體后內腔注水加壓到2.9 Mpa，查看殼體及連接處密封是否有效。2）閥前高壓水密封試驗：球閥的高壓密封試驗壓力為38℃時最大允許工作壓力的1.1倍，則常溫高壓密封試驗壓力為2.09 Mpa，向上圓整后為2.1 Mpa。閥門半開并向閥腔內注滿水，閥門關閉后從一端加壓至2.1 Mpa，從主閥體上放空閥處檢漏。一端試驗完成后重復步驟試驗另一端。3）DPE端閥后高壓水密封試驗：閥門半開并向閥腔內注滿水，加壓至2.1 Mpa后關閉閥門，卸去DPE端通道全部壓力，排空通道觀察密封面是否泄漏。4）低壓氣密封試驗：低壓密封試驗壓力為0.4～0.6 Mpa。閥門關閉后從一端加入0.4～0.6 Mpa空氣，從放空閥處檢漏。5）SPE端閥座泄壓試驗：具有自泄壓功能的閥座，應在中腔壓力不超過1.33倍的情況下泄壓。閥體上放空閥處安裝壓力表，閥門半開向通道內注滿水后加壓至2.52 Mpa關閉閥門。將通道內的壓力泄壓至1.9 Mpa，查看主閥體上的壓力表數據，數值低于2.52 Mpa，則泄壓試驗合格。常溫試驗結束后高溫氮氣烘干，不得殘留水漬[3]。

3低溫測試

試驗步驟如下：

1）吹掃閥門內腔排出空氣。閥腔中的空氣帶有水分，低溫結冰從而影響閥門性能。打開截止閥2和截止閥3，接通截止閥1和氣瓶開關1，通入0.2 Mpa的氦氣連續吹掃閥門內腔。排完空氣后關閉截止閥2和截止閥3，再關閉截止閥1。將吹掃氣體劫持在閥內，閥門操作至關閉位置。2）將閥門浸入液氮池中，液面高度需滿足閥門冷卻到-196℃，扣除液氮揮發量后，液面依舊能淹沒過連接長頸閥蓋與主閥體的緊固件上端面。閥門冷卻至-196℃后繼續保冷不少于1小時。閥門在常溫下注入的0.2 Mpa氦氣在低溫下收縮，壓力會逐漸降低，閥門半開放入氦氣升壓至0.2 MPa。閥門循環開關5次后關閉閥門并打開截止閥3，排出中腔多余氦氣。壓力穩定后將接頭3與量杯連通，量杯收集泄漏量。3）高壓氣體試驗應該注意氣體試驗的危險性[4]，試驗時應從較低壓力開始，并按測試壓力增量逐漸增加壓力，直到達到最大允許測試值。查詢GB/T 24925—2019《低溫閥門技術條件》標準，閥門冷態度工作壓力為1.9 Mpa，測試增量為0.4 Mpa，升壓過程需要4次加壓，記錄每次加壓的泄漏量。相同的步驟測試另一端。4）DPE閥座閥后密封試驗，方法同常溫為測試方法，只是試壓過程需要逐次增壓。5）SPE閥座泄壓試驗：接頭3處安裝壓力表，截止閥3打開。閥門半開向通道內注氦氣并加壓至2.52 Mpa后關閉閥門。將兩端通道泄壓至1.9 Mpa，查看主閥體上的壓力表數據，數值低于2.52 Mpa則泄壓試驗合格。6）低溫殼體密封試驗：關閉截止閥2和截止閥3，半開閥門注入氦氣并加壓至1.9 Mpa，檢查閥桿與填料、主閥體和副閥體、主閥體與長頸閥蓋、主閥體與固定軸之間的密封性能。有逸散性要求的按規定檢查對應密封性。

4關于LNG球閥測試的總結

4.1測試設備與場地

常溫和低溫試驗的場地不同、人員不同、設備不同，導致流程多、流轉時間長、工序煩瑣。

4.2測試介質

常溫時高壓密封試壓介質為水，低溫時高壓密封試驗介質為氦氣。介質水在同等條件下穿透能力遠弱于氦氣，即常溫下水壓不漏并不代表氣壓不會漏。實踐證明常溫下氣壓漏，則低溫下一定漏且泄漏量非常容易超標。

4.3水漬結冰

水壓測試后閥座蓄能圈和閥體之間的環形區域內會有水漬殘留，低溫下水漬結冰導致閥座活塞運動失效閥門泄漏。雖然客戶可通過高溫氮氣烘干來消除水漬，但閥門生產企業卻不具備這樣的條件，水壓試驗后的閥門存在嚴重隱患。

4.4二次污染

閥門生產企業的常溫試壓設備通過外購實現，試驗設備多為碳鋼零件構成，工作過程中本身需要潤滑系統和防銹處理，潤系油脂和防銹油容易經管路由介質水帶入閥門導致清潔度不合格。試壓用水一般為自來水，由于自來水中加入了漂白粉的緣故，水中氯離子偏高容易造成閥門表面點腐蝕。

4.5SPE的閥座低溫泄壓試驗

標準規定泄放壓力不大于額定值的1.33倍。閱讀標準全文，低溫下沒有關于殼體強度試驗的要求，高壓試驗壓力也從1.1倍降低為1倍。標準基于安全的考慮取消了低溫殼體強度，降低了密封壓力，標準第（d）條閥門外漏試驗也只升壓到標準額定值。那么，讓中腔允許最高升壓到1.33倍是不夠安全的。

5優化改進

針對性優化：取消常溫設備的使用，低溫和常溫測試設備合并；常溫下采用1.1倍氮氣取代1.5倍水壓殼體試驗，其他試驗壓力不變，試驗介質由氮氣替代水和空氣；常溫和低溫的SPE自泄壓試驗由1.33倍壓力調整為0.33倍壓差試驗。

推薦的測試方案如圖1所示。

5.1常溫殼體密封試驗

將閥門兩端如上圖所示連接。閥門半開關閉截止閥2和截止閥3，打開氣瓶開關1和截止閥1向閥門內注入氮氣并緩慢升壓力至2.1 Mpa后關閉氣瓶開關1。查看閥門與工裝之間、閥門零部件之間密封狀況。密封合格則打開截止閥3排出閥內氮氣。

5.2常溫高壓和低壓密封試驗

關閉閥門，截止閥3保持開啟。打開截止閥1和氣瓶開關1向閥門內注入氮氣緩慢升壓力至2.1 Mpa，壓力穩定后從接頭3檢查密封狀況。高壓密封試驗完成后降壓至0.6 Mpa，從接頭3檢查低壓密封狀況。同理完成另一端高低壓密封測試。

5.3常溫雙截斷與排放試驗

關閉閥門，截止閥3保持開啟。打開截止閥1和氣瓶快關1；打開截止閥2和氣瓶快關2，分別向閥門內注入氮氣并緩慢升壓力至1倍額定值。壓力穩定后從接頭3檢查密封狀況。

5.4DPE閥座常溫閥后密封試驗

關閉閥門、關閉截止閥1，打開截止閥2。將截止閥3與氣瓶開關3接通，向閥門中腔內注入氮氣，緩慢升壓力至2.1 Mpa。壓力穩定后從接頭2檢查密封狀況。

5.5SPE閥座常溫自泄壓試驗

關閉閥門，打開截止閥1確保上游排空。將截止閥3與氣瓶開關3接通，向閥門中腔注入氮氣并緩慢升壓力至不超過0.33倍額定值（0.627 Mpa）的過程中從接頭1檢查密封狀況。

常溫試驗完成后，吹盡閥門和工裝表面水漬。工裝保持不變，將氮氣瓶更換為氦氣瓶，傳感器與控制系統相連，接頭根據需要與量杯相連，水池更換為液氮池。低溫SPE試驗如上采用不超過0.33倍額定值泄壓法，其他低溫試驗程序步驟保持不變。

6結語

按優化改進后的試驗方法執行，經工廠實際生產大規模應用后科學統計，以4″Q647F-150LB球閥舉例：測試時間由3.5小時縮短到2.8小時；泄壓試驗中氦氣成本從318元降低為121元；產品一次合格率從78%提升至92%。標準是對一個產品種類大的概括，具體到一些細分領域，需要根據情況優化調整。根據實際工況，在充分的技術交流后優化了測試方案，簡化了測試程序。既保證了質量又縮短了測試周期，節省了成本，提高了閥門的合格率，促進了工業化大規模生產。

【參考文獻】

[1]吳軍.DBB與DIB型固定球閥的密封結構與方向性分析[J].化工設備與管道，2016，53（5）：77-82.

[2]趙龍龍，張翼，李靖，等.LNG用超低溫球閥中腔泄壓規律的試驗[J].石油和化工設備，2020，23（7）：81-83.

[3]王海林.沙特阿美公司進行管道清管測徑試壓干燥的方法[J].石油工程建設，2012，38（3）：60-62.

[4]周兆明，萬夫.氣密封高壓試驗爆炸模擬分析[J].重慶理工大學學報（自然科學版），2013，27（9）：106-109.

【作者簡介】

吳孔燕，女，1986年出生，工程師，研究方向為密封系統。

通訊作者：蔡毅，男，1985年出生，工程師，研究方向為閥門設計，電子郵箱：caiyilianyi@163.com。

（編輯：李鈺雙）