LNG安全閥性能試驗分析及試驗裝置的改進

吳磊，李偉，楊玲玲

（1.合肥通用機械研究院；2.合肥通用機電產品檢測院有限公司，安徽 合肥 230031）

LNG安全閥性能試驗分析及試驗裝置的改進

吳磊1，李偉1，楊玲玲2

（1.合肥通用機械研究院；2.合肥通用機電產品檢測院有限公司，安徽 合肥 230031）

LNG（液化天然氣）的安全生產是LNG工業重點關注的技術之一，因LNG為低溫且易燃易爆的介質況且其物理性質又極不穩定，所以LNG安全閥性能的可靠性對LNG安全生產、儲運等顯的尤為重要，本文介紹了LNG安全閥全性能試驗的過程，并針對低溫性能試驗過程易出現的實際問題對試驗裝置進行了改進。

LNG安全閥；性能試驗；試驗裝置

1 概述

安全閥是用于壓力容器及壓力管道上作為超壓保護裝置使用的一類閥門，安全閥性能的好壞直接關系著承壓設備、承壓管道的安全運行。LNG（液化天然氣）安全閥是用于LNG壓力容器及LNG壓力管道的一類安全閥，目前隨著我國LNG工業的發展，LNG低溫儲罐及LNG低溫輸送設備的數量越來越多，LNG安全閥的使用也越來越頻繁，由于LNG溫度不大于-162℃，且易燃易爆危險性較大，LNG安全閥作為LNG設備的安全保護裝置，其性能對于LNG設備的安全運行有著重要意義，而如何有效、準確的來驗證LNG安全閥的性能也顯的尤為重要。

2 技術標準及規范

國內外對于LNG安全閥全性能的驗收規范目前主要有以下幾部：TSG ZF001-2006 《安全閥安全技術監察規程》；GB/T 29026-2012 《低溫介質用彈簧直接載荷式安全閥》；BS EN 13648-1:2008 Cryogenic vessels-Safety devices for protection against excessive pressure-Part 1: Safety valves for cryogenic service。

3 主要性能指標

安全閥是一種自動閥門，當安全閥的工作壓力正常時，安全閥靠彈簧力的作用能形成良好的密封；當設備內的壓力超過安全閥的設定開啟壓力（整定壓力）時，安全閥會自動開啟排放介質壓力，經過排放后設備壓力重回到安全閥的密封壓力（回座壓力）時，安全閥能再次形成密封，防止介質繼續泄漏。LNG安全閥是適用于LNG介質的一類安全閥（為簡化表達本文中提到的“安全閥”即為“LNG安全閥”），主要性能參數有以下幾項。

3.1 常溫性能

（1）開啟壓力。是指安全閥在介質壓力的作用下開始開啟時的壓力，實際開啟壓力值應在其整定壓力值的誤差范圍內。

（2）排放壓力。是指安全閥達到完全排放時的介質壓力，實際排放壓力值應不超過其規定值。

（3）回座壓力。是指安全閥排放后閥瓣與閥座重新接觸后閥門進口端的壓力，實際回座壓力值應不低于其規定值。

（4）開啟高度。是指安全閥閥瓣離開關閉位置的實際升程，實際開啟高度應不低于其規定值。

（5）密封性。是指安全閥入口處介質壓力達到密封壓力時安全閥閥瓣與閥座的密封情況。

（6）排量。是指安全閥達到全開啟狀態時單位時間排放介質的量，實際排量一般應不小于規定值。

3.2 低溫性能

（1）低溫密封性。是指安全閥入口處的低溫介質壓力達到密封壓力時安全閥閥瓣與閥座的密封情況。

（2）低溫開啟壓力。是指安全閥在低溫介質壓力的作用下開始開啟時的壓力，實際開啟壓力值應在其整定壓力值的誤差范圍內。

4 安全閥性能試驗設備及方法

LNG安全閥的性能檢測分為常溫性能檢測和低溫性能檢測，低溫性能檢測需要在常溫試驗合格后進行。

4.1 常溫性能試驗

因為LNG安全閥開啟及排放時的介質為易揮發介質，安全閥排放介質相態一般為氣態，所以LNG安全閥的常溫性能試驗的檢驗方法及對檢驗裝置的要求與普通空氣安全閥試驗的要求一致。

典型安全閥常溫性能試驗的裝置示意圖如圖1所示。

圖1

如圖1所示，試驗前應通過空壓機向儲氣罐注入足夠壓力值的潔凈空氣，被試安全閥安裝于試驗容器上的試驗位置，試驗容器內的初始壓力應低于被試安全閥開啟壓力值的90%；選擇合適量程的壓力傳感器及位移傳感器并安裝于安全閥測量的指定位置，并觀察相應電腦采集數據是否正常，到此時準備過程結束。

試驗開始后，緩慢打開被試安全閥進口處的球閥直到全開啟，通過打開調節閥緩慢增加試驗容器內的壓力，閥門剛出現位移或連續泄漏時認為閥門已經開啟，此時的壓力即為開啟壓力，繼續向試驗容器內注入壓力，待安全閥完全開啟排放時的壓力即為排放壓力，此時閥瓣的位移即為開啟高度；關閉調節閥，直到被試安全閥因試驗容器內壓力的降低再次回到密封位置，此時的壓力值為安全閥的回座壓力。上述過程中的開啟壓力、排放壓力、開啟高度及回座壓力可以由計算機采集數據曲線，形成一個完整的壓力—開高曲線圖（如圖2），從安全閥的壓力—位移曲線圖可以清楚的看到安全閥從開啟時刻到最終回座的整個動作過程。

動作性能試驗后，被試安全閥進口壓力調整為開啟壓力值的90%，觀察安全閥出口的泄漏情況，確定密封性試驗結果。密封試驗后將安全閥安裝于試驗容器的試驗位置，增加試驗容器壓力使安全閥達到排放狀態并保持，通過在管道上安裝氣體流量計或孔板流量裝置獲得安全閥的排量。

圖2 安全閥性能曲線圖（壓力-位移）

4.2 低溫性能試驗

低溫性能試驗是指低溫密封試驗及低溫開啟壓力試驗，安全閥低溫性能試驗時應由低溫介質提供低溫試驗環境，目前LNG安全閥低溫性能試驗一般使用相對廉價且性能較為穩定的液氮作為試驗介質。國內標準及規范推薦的典型低溫安全閥試驗裝置示意圖如圖3所示。

圖3

國外標準規范推薦的典型低溫安全閥試驗裝置示意圖如圖4所示。

如圖3、4，將安全閥安裝于試驗容器的試驗位置，將液氮儲存容器中的液氮適量充入試驗容器中，通過低溫截止閥將原試驗容器中的常溫氣體排出，并使試驗容器中的低溫介質自然氣化，壓力達到并超過安全閥的整定壓力時，安全閥開啟，安全閥經過數次的開啟、關閉得到充分冷卻后進行安全閥的低溫開啟壓力試驗，在低溫介質作用下安全閥剛剛開啟時的壓力為開啟壓力。

圖4

安全閥起跳后，開啟試驗容器連接盤上的低溫截止閥，泄壓到安全閥整定壓力的70%時，關閉低溫截止閥，讓系統內的低溫介質自然氣化壓力升高通過該低溫截止閥使試驗容器內的壓力維持在整定壓力的90%，觀察安全閥出口的泄漏情況可以獲得安全閥的低溫密封情況。

5 低溫性能試驗易出現的問題及設備改進

5.1 低溫試驗易出現的問題

（1）溫度問題。相關標準對于試驗溫度要求的描述：GB/T 29026-2012描述為“試驗時安全閥入口處的介質溫度與試驗容器內的介質溫度相差應不大于30℃”，BS EN 13648-1:2008描述為“The reservoir shall be of a design which ensures that the cryogenic fluid relieved by the sample valve will be at a temperature which does not exceed by more than 30℃the equilibrium temperature of its contents”，意為“試驗容器應設計成試驗時安全閥泄放出的介質溫度與試驗容器內介質的平衡溫度的溫差不超過30℃的結構型式”。比較上述兩個標準的描述，其要求的實質內容其實是一致的，即為安全閥試驗時樣機內部介質的溫度不得超過低溫容器內介質平衡溫度30℃，而實際操作中會因低溫介質氣化速度、低溫容器及連接部件的傳熱效果、介質在低溫容器的充裝量等因素而使得安全閥內部的溫度無法達到試驗要求的溫度。

（2）壓力問題。低溫安全閥的密封試驗和開啟壓力試驗要求在試驗過程中安全閥進口處的壓力是靠低溫介質的揮發所產生，實際操作中若安全閥的公稱尺寸較小且開啟壓力不高時試驗操作相對方便；而當口徑較大或開啟壓力較高時，液氮揮發產生達到開啟壓力的時間較長，甚至因密封及保溫不好而無法通過低溫介質的揮發達到試驗壓力；若不通過外界辦法只能增大試驗容器的體積及加大液氮的充裝量來解決，此方法不僅成本較高且不易操作。而為了更容易達到試驗壓力，可以向試驗容器中充入部分氮氣來減少氣化的時間，但充入的氮氣又會影響安全閥內部的溫度。

5.2 低溫試驗問題分析

圖5

安全閥試驗過程出現的壓力問題可以通過增加氮氣的方式解決，但這會導致被試安全閥進口的溫度達不到試驗要求的溫度，若能保證被試安全閥的進口處的溫度問題，試驗過程的壓力問題亦可解決，所以兩點問題可以通過保證被試安全閥進口處的溫度而得到解決。

5.3 試驗裝置的改進

通過圖3及圖4可以看出，被試安全閥的進口處溫度升高最主要的原因是由于液氮氣化后與外部有不可避免的熱傳遞，所以可以通過降低試驗過程關鍵位置的外部溫度來解決這一問題。

經過反復比較及設計，我們通過增加安全閥出口外部液氮噴淋裝置及保溫罩的辦法實現安全閥試驗時進口處溫度的控制，如圖5所示，在安全閥的進口處增加液氮環管及噴口，液氮可以通過低溫管道直接噴灑到安全閥進口處的殼體外部，并通過保溫罩的保護使溫度不會很快的升高，可以做到有效的降低安全閥進口處的殼體外部的溫度；通過控制噴灑量的大小可以控制溫度降低的速度，而與內部液氮及氮氣充裝速度的配合，可以做到既能很好的升壓又能有效的保證被試安全閥進口處的溫度，從而有效的解決了LNG安全閥低溫試驗過程中出現的問題。

6 結語

LNG安全閥的全性能試驗能真實有效的驗證安全閥的各項性能尤其是低溫條件下的性能，根據實際情況對LNG安全閥試驗裝置的改進能使得LNG安全閥的測試環境更接近實際使用工況，測試數據更為科學。目前，改進型LNG安全閥試驗裝置已得到很好的使用。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局．TSG ZF001-2006安全閥安全技術監察規程[Z]．2006,10,27．

[2]GB/T 29026-2012, 低溫介質用彈簧直接載荷式安全閥[S]．

[3]BS EN 13648-1:2008, Cryogenic vessels-Safety devices for protection against excessive pressure-Part 1: Safety valves for cryogenic service[S]．

[4]GB/T 12242-2005, 壓力釋放裝置 性能試驗規范[S]．

[5]陸陪文． 實用閥門設計手冊 [M]．北京：機械工業出版社,2007．

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1671-0711（2017）10（下）-0057-03