閥門(mén)耐火試驗方法研究
為了解決閥門(mén)耐火試驗中水相變帶來(lái)的安全和穩壓?jiǎn)?wèn)題，進(jìn)行了模擬試驗研究。研究結果表明，閥門(mén)耐火試驗中采用針閥調節卸壓通道的方式能保證腔體內的壓力穩定;試驗過(guò)程中水被大量氣化，產(chǎn)生的高溫高壓水蒸氣會(huì )沖擊水壓管線(xiàn)，縮短管線(xiàn)的使用壽命并降低設備的安全系數。根據研究結果提出了以下解決方法：采用針閥和壓力泵提供穩定的壓力;采用阻氣裝置使水蒸氣液化，緩沖水蒸氣對管線(xiàn)的沖擊，降低水壓管線(xiàn)的溫度。應用該方法建立了閥門(mén)耐火試驗系統。試驗表明，該方法切實(shí)可行，能夠達到標準要求;最高試驗溫度980℃，最高試驗壓力103.5MPa，且壓力穩定。
閥門(mén)的耐火性能就是閥門(mén)在高溫火焰中保持正常工作的能力，它是衡量閥門(mén)安全性能的重要指標。閥門(mén)的耐火試驗是確定其耐火性能的唯一方法。海洋平臺用閥門(mén)和氣田用閥門(mén)都要求進(jìn)行耐火試驗。
APISpec6FA標準規定了閥門(mén)耐火試驗的具體要求：用水作試驗介質(zhì)，將閥板關(guān)閉，對上游端內腔升壓至試驗壓力(0.2～103.5MPa)后，用761~980℃的火焰對閥體外表灼燒30min，再冷卻至100℃以下。此過(guò)程中密封部位的泄漏水量不能超標。整個(gè)試驗過(guò)程會(huì )有壓力變化，壓力恢復的時(shí)間累積不得超過(guò)2min。
閥門(mén)耐火試驗中，水總是發(fā)生液態(tài)到氣態(tài)和氣態(tài)到液態(tài)的2次相變，相變會(huì )帶來(lái)腔內壓力巨大變化。當溫度升到臨界點(diǎn)以上，水以一種臨界狀態(tài)存在，無(wú)法了解壓力變化情況。壓力的迅速增長(cháng)會(huì )帶來(lái)非常大的安全隱患，若不能及時(shí)卸壓就會(huì )發(fā)生爆炸。由于標準要求試驗過(guò)程中壓力不變，而且壓力恢復的時(shí)間也有限制，所以壓力的迅速增長(cháng)也會(huì )給系統穩壓帶來(lái)難度。閥門(mén)耐火試驗的難點(diǎn)在于水相變會(huì )給試驗帶來(lái)安全和穩壓?jiǎn)?wèn)題。這也是閥門(mén)耐火試驗方法研究的重點(diǎn)。目前我國還沒(méi)有完全符合APISpec6FA標準要求的試驗方法。鑒于此，筆者針對水相變的問(wèn)題進(jìn)行試驗研究，并提出了解決方法。
1、試驗研究
筆者從接觸到的資料文獻中都無(wú)法得出火焰中密閉腔體內水的壓力變化規律。能否卸掉不斷增長(cháng)的壓力?卸壓通道內是水還是水蒸氣?這些問(wèn)題都涉及到安全和穩壓。首先需要進(jìn)行模擬試驗，找到保證安全和穩壓的最佳方案，以便使閥門(mén)耐火試驗能夠順利進(jìn)行。閥門(mén)模擬試驗的原理如圖1所示。
圖1 模擬試驗原理圖
試驗利用現有的230MPa高壓試驗裝置保持承壓腔體內的壓力。壓力傳感器和二次儀表感應并顯示壓力值，氣動(dòng)閥作為緊急卸壓閥用，針閥作為可以調節不同通徑的卸壓閥，用來(lái)維持壓力穩定。燃氣用液化氣，壓力調節器調節火焰大小，熱電偶和二次儀表感應并顯示溫度值，火焰維持在761～980℃。
試驗采取的安全措施：壓力源、二次儀表、液化氣的截止閥和壓力調節器都在控制室放置，試驗過(guò)程中人不能走進(jìn)被試件區域;承壓腔體按承壓70MPa設計，由于考慮多次試壓，著(zhù)火狀態(tài)下腔體內壓力控制在15MPa以下;緊急狀態(tài)下，打開(kāi)氣動(dòng)閥進(jìn)行大通徑卸壓，若壓力升高過(guò)快時(shí)，應迅速斷氣卸壓。
試驗方法：試驗壓力1MPa時(shí)做1次試驗，燃燒時(shí)間30min，試驗中不卸壓，觀(guān)察壓力變化情況。然后在試驗壓力為1、5和10MPa時(shí)分別做3次試驗，燃燒時(shí)間30min，調節針閥，力求保持穩壓。每2次試驗之間，工件要充分冷卻。用水壓數據采集系統繪制壓力曲線(xiàn)圖。
模擬試驗結果如下：
(1)在1MPa試驗壓力不卸壓的情況下，壓力開(kāi)始增長(cháng)得比較緩慢，隨著(zhù)水的不斷氣化，壓力增長(cháng)也越來(lái)越快，水壓變化曲線(xiàn)如圖2所示。最終壓力增加了近13倍。
圖2 試驗壓力1MPa時(shí)水壓變化曲線(xiàn)
(2)試驗壓力1、5和10MPa的3次試驗中，通過(guò)打開(kāi)針閥進(jìn)行卸壓，均可以達到穩壓的目的。
10MPa時(shí)比1MPa時(shí)卸壓速度快，針閥的卸壓通徑就小。試驗壓力10MPa時(shí)的穩壓曲線(xiàn)如圖3所示。
圖3 試驗壓力10MPa時(shí)穩壓曲線(xiàn)
(3)在著(zhù)火20min左右，卸壓管線(xiàn)開(kāi)始噴射出水氣混合物，水蒸氣越來(lái)越多。
(4)用紅外線(xiàn)溫度計測量卸壓管線(xiàn)和針閥，試驗中最高溫度為150℃。
通過(guò)模擬試驗結果可以得出以下結論：
(1)水的相變造成了壓力的迅速升高，不及時(shí)卸壓就會(huì )爆炸。
(2)閥門(mén)耐火試驗中采用針閥調節卸壓通道的方式可以保證腔體內的壓力穩定，使壓力可以得到控制。
(3)試驗過(guò)程中水被大量氣化，產(chǎn)生的高溫高壓水蒸氣會(huì )沖擊管線(xiàn)，縮短管線(xiàn)的使用壽命。
(4)若卸壓管線(xiàn)呈持續高溫狀態(tài)，就會(huì )降低安全系數。
2、解決方法
如圖4所示，在著(zhù)火過(guò)程中可以通過(guò)針閥4進(jìn)行卸壓，通過(guò)調節針閥的開(kāi)度來(lái)調節卸壓的速度。
圖4 閥門(mén)耐火試驗系統方法原理圖
1)計量罐;2)壓力泵;3)控制箱;4、7、8)針閥;5、9)氣動(dòng)閥;6)壓力傳感器;10)阻氣裝置;
11)燃燒室;12)被試閥門(mén);13)熱電偶;14)冷凝管線(xiàn);15)燃氣傳感器;16)控制柜;17)燃氣控制柜。
標準要求卸壓的水需要進(jìn)行計量，在被試閥門(mén)中產(chǎn)生的水氣混合物通過(guò)阻氣裝置10、針閥7、氣動(dòng)閥5和針閥4流回計量罐。
阻氣裝置就是一個(gè)大管徑的U形管道。當高溫高壓的水氣混合物通過(guò)U形管道的時(shí)候，通過(guò)大管徑和改變方向就可以降低沖擊速度，同時(shí)對U形管道進(jìn)行冷卻，水蒸氣經(jīng)過(guò)U形通道后就會(huì )變成水，溫度和速度都會(huì )降低，這樣就保證了上游管線(xiàn)的安全。
在被試閥門(mén)的兩端加裝與被試閥門(mén)通徑相同的連接管，由于連接管不在火焰中，所以連接管中的冷水先經(jīng)過(guò)卸壓管道，這樣就延緩了水蒸氣通過(guò)卸壓管道的時(shí)間。
試驗中被試閥門(mén)在火焰的作用下，壓力上升，這時(shí)氣動(dòng)閥5打開(kāi)，通過(guò)針閥4卸壓。如果被試閥門(mén)泄漏很快，壓力會(huì )下降，壓力泵會(huì )啟動(dòng)補充壓力。通過(guò)壓力泵和針閥4就實(shí)現了被試閥門(mén)的壓力穩定。
如果被試閥門(mén)有設計或制造缺陷，本體承受不了試驗壓力，那么在高溫高壓的試驗環(huán)境下就有可能發(fā)生爆炸。為了保證人員和設備的安全，燃燒室由防爆墻和輕質(zhì)易碎的頂棚組成。防爆墻內有鋼筋網(wǎng)并由水泥澆筑，用來(lái)承受爆炸時(shí)的主要沖擊，輕質(zhì)易碎的頂棚主要用來(lái)卸掉爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力，減輕對防爆墻的沖擊。
3、結論
(1)閥門(mén)耐火試驗中會(huì )有大量的水氣化，高溫高壓的水氣混合物會(huì )沖擊管線(xiàn)。如果整個(gè)管線(xiàn)溫度較高，就會(huì )加速密封件的老化，降低管線(xiàn)的安全系數。
(2)利用壓力泵、針閥和阻氣裝置的聯(lián)合控制，再加上具有防爆功能燃燒室的最終保護，不但實(shí)現了穩壓，還保證了人員和設備的安全。
(3)江漢機械研究所已經(jīng)建立了閥門(mén)耐火試驗系統。試驗表明，該試驗方法切實(shí)可行，能夠達到標準要求，最高試驗溫度980℃，最高試驗壓力103.5MPa，且壓力穩定。
(4)目前海洋采油平臺用閥門(mén)、天然氣井和管道用閥門(mén)均需要進(jìn)行耐火試驗。閥門(mén)耐火試驗系統將會(huì )成為我國海洋、天然氣用閥門(mén)耐火性能標準的檢測平臺。
