管線(xiàn)球閥環(huán)境模擬試驗與分析
介紹了管線(xiàn)球閥環(huán)境模擬試驗的重要性、試驗溫度的確定、試驗裝置的建造以及試驗流程。管線(xiàn)球閥通過(guò)高溫和低溫環(huán)境模擬試驗與分析，可以得出環(huán)境模擬試驗對于管道的重要意義，建議作為管線(xiàn)球閥出廠(chǎng)驗收項目之一。
一、前言
在長(cháng)輸管線(xiàn)建設中，管線(xiàn)球閥所處的環(huán)境變化多端。從北極圈到赤道，從高山到海底，從高原到沙漠，穿越地震帶、沼澤地、江河、湖泊和山坡等。有的懸空架設、也有直埋地下，在野外遠距離遙控操作，維修起來(lái)異常困難，因此管線(xiàn)球閥要求具有安全、可靠、長(cháng)周期、無(wú)故障運行，一般免維護壽命不低于30年。產(chǎn)品從生產(chǎn)、包裝、運輸、裝卸及貯存到使用的過(guò)程中需經(jīng)歷各種復雜的自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境。1971年，美國對機載電子設備全年的故障進(jìn)行剖析，50%以上的故障是由各種環(huán)境引起的，溫度(高低溫)、濕度、振動(dòng)三項環(huán)境造成電子設備43.58%的故障率，其中溫度引起的故障占22.2%，由此可見(jiàn)環(huán)境溫度對產(chǎn)品運行可靠性影響之大。目前，在低溫環(huán)境下工作的管線(xiàn)球閥標準只對閥體、球體、閥座等材料低溫沖擊韌度提出要求，并不能驗證低溫環(huán)境下的密封、動(dòng)作和力矩變化等綜合性能。因此，需對管線(xiàn)球閥在高溫和低溫環(huán)境溫度下的適應性進(jìn)行深入分析，并建造環(huán)境模擬試驗裝置進(jìn)行試驗。試驗的主要目的如下。
1)在高溫和低溫環(huán)境溫度的作用下，驗證管線(xiàn)球閥動(dòng)作的可靠性和密封性能。
2)在高溫和低溫環(huán)境溫度的作用下，驗證管線(xiàn)球閥的力矩是否發(fā)生大的變化。
3)作為管線(xiàn)球閥型式試驗項目之一，探索是否作為管線(xiàn)球閥驗收項目。
二、環(huán)境模擬試驗
1、環(huán)境模擬試驗溫度的確定管線(xiàn)球閥在服役過(guò)程中，影響環(huán)境溫度變化的因素如下：
1)由地理位置引起的環(huán)境溫度變化。世界干熱氣候區的工作溫度為32～49℃，誘發(fā)溫度為33～71℃;極冷氣候區的工作溫度為-51℃以下。
2)由季節引起的環(huán)境溫度變化。由于地球的公轉和自轉呈周期性變化，出現春、夏、秋、冬的循環(huán)。由于這種溫度變化是比較緩慢的，它對產(chǎn)品產(chǎn)生一定的溫度效應。
3)由日夜引起的環(huán)境溫度變化。美國軍用標準MIL-STD-810D中給出的熱氣候區高溫日循環(huán)溫度表中，工作最高溫度49℃出現在16：00，誘發(fā)最高溫度71℃出現在15：00。由于這種溫度變化是比較大的，它對產(chǎn)品產(chǎn)生較大的溫度效應。
管線(xiàn)球閥所處的環(huán)境溫度一般從低溫-46℃到高溫85℃，閥體材料選用ASTM A350 LF2或ASTM A516Grade 70，最低使用溫度為-46℃。在-51℃以下的極冷(C3)氣候區建造管道的可能性很低，因此將環(huán)境模擬試驗溫度確定為-50～93℃，可滿(mǎn)足管線(xiàn)球閥所處環(huán)境溫度-46～85℃的試驗要求。
2、環(huán)境模擬試驗裝置的建造
美國在阿拉斯加原油管線(xiàn)建設時(shí)，為了試驗閘閥的性能，特地在費爾班克斯地區，在線(xiàn)路走向設計閥門(mén)的位置上結合永久工程架設了150in(1in=0.025 4m)的試驗段，并安裝了一個(gè)截斷閥，所有架設方法都與后續施工完全相同。這一設施是專(zhuān)門(mén)為考驗閥門(mén)是否能度過(guò)北極的冬季，這是管線(xiàn)閥門(mén)環(huán)境模試驗裝置的雛型。
環(huán)境模擬試驗裝置如圖1所示，主要由壓力提供系統、數據處理系統、環(huán)境模擬倉、測試升降臺架、溫度傳感器、試驗閥門(mén)和力矩測量裝置組成。壓力提供系統最高壓力為70MPa，試驗介質(zhì)為高壓氮氣。數據處理系統可將環(huán)境模擬倉的控制系統、溫度傳感器數據接收后，采用專(zhuān)用測試分析軟件進(jìn)行分析，最終以圖表的形式顯示測試結果。環(huán)境模擬倉由箱體、空氣調節裝置、控制系統和導軌組成。箱體的容積為150m3，高度為5m�？諝庹{節裝置主要由制冷系統、加熱系統和離心送風(fēng)機組成，可滿(mǎn)足-50～93℃試驗溫度要求�？刂葡到y包括溫度傳感器和控制器，控制器采用平衡調溫的控制方式。導軌可承重60t，試驗閥門(mén)安裝在測試升降臺架通過(guò)導軌可方便進(jìn)出環(huán)境模擬倉。測試升降臺架的雙作用液壓缸用于調整測試閥門(mén)的高度，單個(gè)雙作用液壓缸最大拉力為2 500kN。溫度傳感器安裝于試驗閥門(mén)的底部、中部和上部，用于測量試驗閥門(mén)試驗時(shí)低溫和高溫的溫度，測試結果通過(guò)數據處理系統分析。由于試驗介質(zhì)為高壓氮氣，為保證試驗的安全性，試驗閥門(mén)兩端焊接球形封頭。通過(guò)壓力提供系統可對試驗閥門(mén)在常溫、高溫和低溫不同溫度下進(jìn)行密封性能測試和分析比較。力矩測量裝置用于試驗閥門(mén)在常溫、高溫和低溫不同溫度下的開(kāi)關(guān)力矩，力矩測量裝置可根據測試管線(xiàn)球閥規格不同進(jìn)行配置。
3、環(huán)境模擬試驗流程
管線(xiàn)球閥環(huán)境模擬試驗前，需進(jìn)行超聲波清洗和脫脂，因為油脂和水分在-46℃的低溫環(huán)境下會(huì )變成堅硬的固態(tài)物質(zhì)，造成閥門(mén)結構損傷。NPS48 Class900全焊接管線(xiàn)球閥高溫和低溫環(huán)境模擬溫度試驗如2所示。環(huán)境模擬試驗流程如下：
1)常溫性能試驗及力矩測量。
2)加溫至85℃并全壓差開(kāi)關(guān)50次。
3)高溫性能試驗及力矩測量。
4)降至常溫并全壓差開(kāi)關(guān)50次。
5)降溫至-46℃并全壓差開(kāi)關(guān)50次。
6)低溫性能試驗及力矩測量。
7)升至常溫。
8)常溫第二次性能試驗及力矩測量。
9)數據分析。
四、結語(yǔ)
管線(xiàn)球閥通過(guò)高溫和低溫環(huán)境模擬試驗與分析，可以得出以下結論：
1)高溫和低溫的環(huán)境模擬溫度對管線(xiàn)球閥的密封性能影響不明顯。
2)高溫和低溫的環(huán)境模擬溫度對管線(xiàn)球閥動(dòng)作性能無(wú)顯著(zhù)影響。
3)在低溫的環(huán)境模擬溫度下，力矩略有增加，但小于設計力矩，閥門(mén)執行機構選型安全系數均大于1.5，具有很高的安全系數。
4)環(huán)境模擬試驗對于管道的長(cháng)周期安全、可靠運行具有重要意義，建議作為管線(xiàn)球閥出廠(chǎng)驗收項目之一。
