工業(yè)低溫管路試驗技術(shù)研究

楊光偉 張超 郭嬌嬌

摘要：工業(yè)管路中在進(jìn)行液氮長距離輸送時，除了要進(jìn)行液壓氣密試驗之外，還需要進(jìn)行液氮冷沖擊試驗，確保工藝管路在進(jìn)行液氮環(huán)境下進(jìn)行輸送時不發(fā)生泄露事件。本文以工業(yè)低溫管路為研究對象，提出了人工和自動液氮沖擊試驗的思路，同時對冷態(tài)密封問題提出簡易的解決方案。

關(guān)鍵詞：工業(yè)管道;液氮;密封;

【中圖分類號】TE972

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2236-1879（2018）13-0010-02

引言

工業(yè)管道是石油、化工、輕工、制藥、礦山等工業(yè)企業(yè)管道設(shè)施的總稱。工業(yè)管道廣泛應(yīng)用于各行業(yè)、各個城鄉(xiāng)區(qū)域。工業(yè)管道與壓力管道范圍有交叉，但工業(yè)管道范圍要大。二者交叉范圍的管道，涉及工藝流程多，生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，輸送介質(zhì)多樣，管道安裝環(huán)境多變。工業(yè)管道的概念包括：連接的設(shè)備設(shè)施、管子、閥門、管件和支吊架等內(nèi)容。在介質(zhì)輸送過程中，管道的性能就顯得尤為重要，直接影響介質(zhì)輸送的效率、安全性及外界環(huán)境。管道試驗項目主要包括：強(qiáng)度試驗和嚴(yán)密性試驗，而強(qiáng)度試驗又細(xì)分為液壓試驗與氣壓試驗[1-4]。工業(yè)管路中在進(jìn)行液氮長距離輸送時，除了要進(jìn)行液壓氣密試驗之外，還需要進(jìn)行液氮冷沖擊試驗，確保工藝管路在進(jìn)行液氮環(huán)境下進(jìn)行輸送時不發(fā)生泄露事件。工業(yè)低溫管路試驗中有一種特殊的試驗技術(shù)叫液氮冷沖擊試驗技術(shù)，用來考核工業(yè)液氮輸送管路系統(tǒng)在冷態(tài)環(huán)境下特別是焊接接頭部位是否會發(fā)生變形，檢驗剛度的一致性，同時考核焊縫質(zhì)量，暴露出一部分弱連接的部位。這是保證工業(yè)液氮輸送系統(tǒng)在工況下能夠正常運(yùn)行的重要試驗手段。

1 低溫管路試驗

本文主要研究低溫管路試驗中的一種特殊的試驗類型，即液氮冷沖擊試驗。該試驗的主要流程為產(chǎn)品充滿液氮、浸泡20min、液氮回收、停放至常溫，再進(jìn)行第二次冷沖擊試驗。液氮冷沖擊試驗需要在焊接后X光檢查合格后進(jìn)行，考察合格焊縫的抗低溫性能;需在強(qiáng)度試驗之前進(jìn)行，可考察低溫管路的力學(xué)性能。如果在液氮工作壓力下試驗管路，會有極大的危險性，并且相關(guān)的試驗設(shè)備造價昂貴，不宜用此方法，管路試驗的流程圖如圖l。

工業(yè)管路的低溫冷沖擊試驗仍然按照先干管再支管的試驗順序：

1、干管。干管產(chǎn)品進(jìn)行冷沖擊時，一般采用傾斜內(nèi)部灌注液氮法，試驗前，在管子一端用冷沖擊試驗工裝封堵，并將管子用吊裝設(shè)備將管子一端（無工裝）立起靠在工作臺上，工作臺上擺放限位木托，管子另一端需在地面上擺放限位木托，防止管子滾動。試驗工從工作臺上向管內(nèi)灌注液氮（使用液氮貯存桶），管子灌注端需要使用自制的灌注漏斗，并固定在管端的法蘭上。（大導(dǎo)管冷沖擊試驗至少需要三人配合）試驗采用兩頭輪流灌注法，每次灌注時保證液氮液面高于管子高度一半以上，試驗工需要時刻關(guān)注液氮液面，如果液面低于管子高度一半時需要立即補(bǔ)充液氮。冷沖擊時間為20min，由操作者記錄冷沖擊試驗時間。注意整個管子均進(jìn)行冷沖擊后算一次冷沖擊試驗。試驗過后，回收液氮或讓液氮自然揮發(fā)，恢復(fù)至常溫（表面無結(jié)霜，管子外表面有少量的液體水），重復(fù)上述試驗一次。試驗結(jié)束后，試驗工通知檢驗員檢查導(dǎo)管有無明顯裂紋、變形及其他異常現(xiàn)象。

如果干管的直徑過大，采用上述方法會使得液氮體積過大，對傾斜的管體造成壓力，并在極冷環(huán)境下產(chǎn)生變形，破壞管路。因此在進(jìn)行超大直徑干管冷沖擊試驗時，采用水平內(nèi)部灌注液氮法，試驗前，在管子兩端用冷沖擊試驗工裝封堵，管子兩端處需在地面上擺放限位木托（管子超過4米應(yīng)在管子中間增加額外木托），防止管子滾動。試驗工從隧道管的一端開始灌注液氮，并時刻關(guān)注液氮液面，如果液面低于管子高度一半時需要立即補(bǔ)充液氮。盡管冷沖擊試驗工裝樣式不同，但是整個灌注過程中必須保證有足夠的出口用于液氮揮發(fā)。常見的方法有兩種，一種是將管子上面的全部接管嘴的堵頭擰開，保證氮氣從接管嘴處揮發(fā);

另一種是將管子兩邊封堵采用半封堵狀態(tài)，氮氣可從管子兩端揮發(fā);條件允許的情況下，可使用局部冷沖擊工裝逐個對焊縫部位進(jìn)行冷沖擊試驗。同樣冷沖擊時間為20min，由操作者記錄冷沖擊試驗時間。

2、支管。支管產(chǎn)品進(jìn)行冷沖擊時，采用局部焊縫浸泡法，將導(dǎo)管焊縫端部完全浸泡入液氮始終保持液氮液面高于焊縫或?qū)⒊叽邕^小的小導(dǎo)管整個浸泡在液氮中，冷沖擊時間為20min，由操作者記錄冷沖擊試驗時間。20min過后，取出支管，恢復(fù)至常溫（表面無結(jié)霜，管子外表面有少量的液體水）。試驗結(jié)束后，試驗工通知檢驗員檢查導(dǎo)管有無明顯裂紋、變形及其他異常現(xiàn)象。

3、自動化技術(shù)。液氮冷沖擊試驗也可以采用自動化技術(shù)。自動化系統(tǒng)分為自動排氣系統(tǒng)、液氮貯存、加注及回收系統(tǒng)、液氮試驗槽和監(jiān)測控制系統(tǒng)。系統(tǒng)基本原理是將液氮先注入液氮罐，再通過控制閥將液氮輸入到液氮試驗槽內(nèi)，槽內(nèi)有液面和溫度監(jiān)測，目的是將操作者與試驗槽隔離開，操作者只需查看相應(yīng)數(shù)據(jù)顯示來判斷試驗過程，并通過閥門控制系統(tǒng)將試驗完畢后的剩余液氮返回到液氮罐中。液氮自然揮發(fā)時需要通過自動排氣系統(tǒng)進(jìn)行自排氣，如果需要將罐內(nèi)的液氮快速揮發(fā)時，還需要通過一個加速揮發(fā)系統(tǒng)。

2 低溫管路試驗密封問題。低溫管路試驗中經(jīng)常會出現(xiàn)封堵不嚴(yán)密的問題，一般是由于法蘭部位的焊縫產(chǎn)生了焊接殘余變形，使得法蘭凹凸相接觸的部位產(chǎn)生了較大間隙，影響了嚴(yán)密性。因此我們需要根據(jù)實際端部法蘭的設(shè)計尺寸和形狀，設(shè)計制造一套焊接防變形工裝。在焊接時，在管路端部裝配防變形工裝，通過螺栓的緊固力使得法蘭盤受到相反方向的應(yīng)力和應(yīng)變。

另外，我們也可以向設(shè)計部門提出優(yōu)化法蘭結(jié)構(gòu)的辦法，主要是讓設(shè)計部門將環(huán)縫盡可能的遠(yuǎn)離法蘭密封端面。

3結(jié)論

本文主要對工業(yè)低溫管路試驗技術(shù)進(jìn)行研究，試驗的科學(xué)性和合理性，直接影響介質(zhì)輸送的效率、安全性及外界環(huán)境。綜合上述內(nèi)容可提出兩點結(jié)論：

1）工業(yè)管路的低溫冷沖擊試驗按照先干管再支管的試驗順序，干管產(chǎn)品進(jìn)行冷沖擊時，一般采用傾斜內(nèi)部灌注液氮法，如果干管的直徑過大，采用上述方法會使得液氮體積過大，對傾斜的管體造成壓力，并在極冷環(huán)境下產(chǎn)生變形，破壞管路。因此在進(jìn)行超大直徑干管冷沖擊試驗時，采用水平內(nèi)部灌注液氮法。條件允許時，可采用自動化設(shè)備。

2）低溫管路試驗中經(jīng)常會出現(xiàn)封堵不嚴(yán)密的問題，一般是由于法蘭部位的焊縫產(chǎn)生了焊接殘余變形，使得法蘭凹凸相接觸的部位產(chǎn)生了較大間隙，影響了嚴(yán)密性。改進(jìn)的辦法主要有兩點，一是采用焊接防變形工裝，二是更改設(shè)計方案，將焊縫區(qū)遠(yuǎn)離法蘭密封部位。

參考文獻(xiàn)

[1]張豪燦，何佳夢.影響工業(yè)管道試驗的因素分析，焊接學(xué)報.2018年.第6期;

[2]王建榮，埋地工業(yè)氣體長輸管道的定量風(fēng)險分析.山西化工.2018年.第1期：

[3]孟書生.輸流管道自由振動特性分析系統(tǒng).艦船科學(xué)技術(shù).2018年，第8期：

[4]姚芒榮，郝玉峰.基于ANSYS的簡體焊接溫度場有限元數(shù)值模擬.機(jī)械工程與自動化.2006年6月，第3期。