超低溫閥門試驗裝置的探討分析

葉凱強，葉顯斌，許海束，劉智，曹甲亮

（歐維克集團有限公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

常見的超低溫閥門包括超低溫球閥、超低溫閘閥、超低溫截止閥、超低溫止回閥，超低溫蝶閥以及超低溫調節閥等，主要用于乙烯、液化天然氣裝置、空分設備、石油化工尾氣分離設備、液氧、液氮、液氬、二氧化碳超低溫貯槽及槽車、變壓吸附制氧等裝置上。輸出的液態超低溫介質如乙烯、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產品等，不但易燃易爆，而且在升溫時要氣化，體積膨脹數百倍，容易導致泄漏和爆炸。基于介質特點及適應閥門在超低溫下使用的要求，超低溫閥門的設計、制造、試驗和安裝方法等均與普通閥門有不同之處[1]。而市面上缺乏性能好的超低溫閥門試驗裝置用來檢測該類型閥門的性能。而且超低溫試驗介質和氣體價格昂貴，試驗成本高。而常規的閥門試驗裝置采用水等廉價液體介質和氣體試驗，其不需要考慮成本、外泄安全等問題，因此采用常規的閥門試驗裝置進行試驗，成本極高且無法保障生產安全[2-3]。

1 現有的試驗裝置

1.1 常溫試驗裝置

現有的常溫試驗裝置，主要是通過液壓原理，以液體為工作介質，根據帕斯卡原理制成的用于傳遞能量以實現將液壓形成的力變成抓手的力，將閥門固定在壓力試驗機上，然后同樣是通過該原理，將試驗介質（常用的為水）通過高壓管通入閥腔，進行所需要的各種試驗[4]。

1.2 現有低溫試驗裝置

現有常見低溫閥門試驗裝置如圖1所示，主要有氦氣瓶、壓力表、管路、試驗槽及附屬保溫箱蓋、溫度記錄系統及儀表、氣泡檢漏等末端檢測部分共同組成。試驗步驟如下：閥門安裝在容器內并連接好所有接頭，確保閥門填料壓套安裝在容器上部沒有汽化氣體的位置。閥門在放入液氮箱體前需要將測溫熱電偶放置在閥門以下位置：閥體（外部）、球體或閥門內腔、閥蓋（填料函、填料區域）；閥門連同試驗用夾具固定好后，一起放入低溫槽浸入液氮中，液氮蓋住閥體與閥蓋連接部位上端，待液面沸騰結束趨于平靜、閥門冷卻至-196℃時，用熱電偶檢測閥體、球體、閥蓋的溫度并記錄。確認溫度達到試驗要求時，閥門一端按相關規范階梯段通入氦氣，出口端對應在規定時間穩壓后檢測相應的泄漏率，直至合格取出閥門，自然恢復室溫[5-6]。

圖1 現有低溫試驗裝置

其缺點如下：

（1）被測閥門在試驗槽內沒有合理固定位置，開關閥門時，被測閥門會晃動，導致施加外力困難；（2）末端檢漏裝置采用最原始排水法，時間和排水的起點和終點均為人為控制，精度不高，導致最終測試結果誤差較大。（3）測試完成后，氦氣自然排放到大氣中，資源浪費較大。

2 新型超低溫閥門試驗裝置

該裝置如圖2（單路測試）和圖3（多路并聯測試）所示。主要組成部分為：液氮儲罐、氦氣瓶組、氦氣管路、多功能操作裝置、移動便攜式控制臺、測試槽箱及附屬裝置、液氮回收和氦氣回收裝置。

圖2 （單路測試）

圖3 （多路并聯測試）

在該套設備中，液氮儲罐作為冷媒介質主要儲存在立罐中，儲罐的加液口為標準快接口，方便槽車加液。為避免測試過程中因氦氣壓力不足，我們設置獨立的氦氣組路，可以根據實際需要多路氦氣瓶同時施壓。測試前，與現有低溫試驗裝置一樣，先將被測閥用專用工裝固定在對應的槽箱內，此處為了避免閥門在開關時晃動，定制一個多用固定工裝，閥門裝在工裝內，再將工裝調入槽箱中，在工裝的上表面四角位置設有定位螺釘，將螺釘旋出，與槽箱的四周內壁貼緊，當需要開關被測閥門時，工裝因四周限位就不會晃動，閥門就能輕易在外力作用下實現開關[7]。

其次，為提高測試的精度，我們在氦氣檢漏裝置中嵌入兩套測試方法，保留并升級過去的排水測試方法，將PLC計時器融入排水系統，在壓力源達到量筒開始排水時，計時器同步開始計時，同樣在結束時，壓力源移除同步計時器停止計時，簡單計算即可獲得瞬時泄漏率；其次我們將檢漏出口接入壓力傳感器，連接到操作控制臺，直接在顯示屏上顯示出瞬時泄漏率，徹底解放雙手。

為了避免測試后昂貴的氦氣浪費，我們在該套測試系統中增設了氦氣回收裝置，該裝置具有雙重作用。在閥門測試過程中，如果因壓力源壓力不足，我們可以啟動增壓系統，將被測閥試驗壓力增壓至所需規定值，而不必增加新的氦氣瓶組；測試完成后，我們可以先采用壓力平衡法，先讓被測閥和壓力源氣瓶內的壓力自然平衡，然后啟動增壓泵，通過換向閥，將閥內氣體壓回氦氣瓶中，在該過程中，為了確保安全，防止氦氣瓶超載，我們可以設定氦氣回收最高限定值，達到設定壓力后，增壓泵停止工作；其缺點是增壓回收對泵的要求較高，如果二者之間壓差較大，增壓回收的時間會相對較長，所以合理選擇對應的氦氣瓶在該系統中就尤為重要[8]。

在該套裝置中，我們為了適應超低溫閥門實際情況，改進了原有的專用工裝；在原來的系統中，對于被測焊接端閥門，一堆盲板對應一種壓力規格的閥門，造成的結果就是工裝盲板越來越多！在該系統中，我們設置了多用盲板，針對不同坡口尺寸，合理配用，實現一板雙用甚至是一板多用，節約了成本也節約了空間[9]。

該裝置最后一個大的優點就是可以多路并聯測試，為了適應生產實際需求，在超低溫閥門測試時，往往都是大批量需要在短期內測試完成，所以過去單獨通過一個槽箱逐臺測試的方法已經不能滿足實際需要了，該套新的系統，可以實現多臺并聯測試，各路之間相互獨立，互不干涉，直接提高了測試效率[10]。

3 結語

新型超低溫閥門試驗系統的結構在多個方面，尤其是現在快速發展的現在工業社會，其性能遠遠優于現有的測試系統。其中氦氣作為目前昂貴的測試媒介，過去直接排放至大氣中就顯得格外浪費，該裝置中增加的氦氣回收系統，使氦氣的利用率提高了數倍，直接經濟效益得到很大的提升；其次多路測試以及專用工裝一板多用的改進也使生產效率得到了顯著提升，所以該裝置性能的推廣已經是超低溫領域的一種趨勢。