閥門耐火試驗方法研究

2013-07-15 張玉樹江漢機械研究所

　　為了解決閥門耐火試驗中水相變帶來的安全和穩(wěn)壓問題，進行了模擬試驗研究。研究結(jié)果表明，閥門耐火試驗中采用針閥調(diào)節(jié)卸壓通道的方式能保證腔體內(nèi)的壓力穩(wěn)定;試驗過程中水被大量氣化，產(chǎn)生的高溫高壓水蒸氣會沖擊水壓管線，縮短管線的使用壽命并降低設備的安全系數(shù)。根據(jù)研究結(jié)果提出了以下解決方法：采用針閥和壓力泵提供穩(wěn)定的壓力;采用阻氣裝置使水蒸氣液化，緩沖水蒸氣對管線的沖擊，降低水壓管線的溫度。應用該方法建立了閥門耐火試驗系統(tǒng)。試驗表明，該方法切實可行，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(wěn)定。

　　閥門的耐火性能就是閥門在高溫火焰中保持正常工作的能力，它是衡量閥門安全性能的重要指標。閥門的耐火試驗是確定其耐火性能的唯一方法。海洋平臺用閥門和氣田用閥門都要求進行耐火試驗。

　　APISpec6FA標準規(guī)定了閥門耐火試驗的具體要求：用水作試驗介質(zhì)，將閥板關閉，對上游端內(nèi)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。此過程中密封部位的泄漏水量不能超標。整個試驗過程會有壓力變化，壓力恢復的時間累積不得超過2min。

　　閥門耐火試驗中，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，相變會帶來腔內(nèi)壓力巨大變化。當溫度升到臨界點以上，水以一種臨界狀態(tài)存在，無法了解壓力變化情況。壓力的迅速增長會帶來非常大的安全隱患，若不能及時卸壓就會發(fā)生爆炸。由于標準要求試驗過程中壓力不變，而且壓力恢復的時間也有限制，所以壓力的迅速增長也會給系統(tǒng)穩(wěn)壓帶來難度。閥門耐火試驗的難點在于水相變會給試驗帶來安全和穩(wěn)壓問題。這也是閥門耐火試驗方法研究的重點。目前我國還沒有完全符合APISpec6FA標準要求的試驗方法。鑒于此，筆者針對水相變的問題進行試驗研究，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法得出火焰中密閉腔體內(nèi)水的壓力變化規(guī)律。能否卸掉不斷增長的壓力?卸壓通道內(nèi)是水還是水蒸氣?這些問題都涉及到安全和穩(wěn)壓。首先需要進行模擬試驗，找到保證安全和穩(wěn)壓的最佳方案，以便使閥門耐火試驗能夠順利進行。閥門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(xiàn)有的230MPa高壓試驗裝置保持承壓腔體內(nèi)的壓力。壓力傳感器和二次儀表感應并顯示壓力值，氣動閥作為緊急卸壓閥用，針閥作為可以調(diào)節(jié)不同通徑的卸壓閥，用來維持壓力穩(wěn)定。燃氣用液化氣，壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器都在控制室放置，試驗過程中人不能走進被試件區(qū)域;承壓腔體按承壓70MPa設計，由于考慮多次試壓，著火狀態(tài)下腔體內(nèi)壓力控制在15MPa以下;緊急狀態(tài)下，打開氣動閥進行大通徑卸壓，若壓力升高過快時，應迅速斷氣卸壓。

　　試驗方法：試驗壓力1MPa時做1次試驗，燃燒時間30min，試驗中不卸壓，觀察壓力變化情況。然后在試驗壓力為1、5和10MPa時分別做3次試驗，燃燒時間30min，調(diào)節(jié)針閥，力求保持穩(wěn)壓。每2次試驗之間，工件要充分冷卻。用水壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)繪制壓力曲線圖。

　　模擬試驗結(jié)果如下：

　　(1)在1MPa試驗壓力不卸壓的情況下，壓力開始增長得比較緩慢，隨著水的不斷氣化，壓力增長也越來越快，水壓變化曲線如圖2所示。最終壓力增加了近13倍。

圖2 試驗壓力1MPa時水壓變化曲線

　　(2)試驗壓力1、5和10MPa的3次試驗中，通過打開針閥進行卸壓，均可以達到穩(wěn)壓的目的。

　　10MPa時比1MPa時卸壓速度快，針閥的卸壓通徑就小。試驗壓力10MPa時的穩(wěn)壓曲線如圖3所示。

圖3 試驗壓力10MPa時穩(wěn)壓曲線

　　(3)在著火20min左右，卸壓管線開始噴射出水氣混合物，水蒸氣越來越多。

　　(4)用紅外線溫度計測量卸壓管線和針閥，試驗中最高溫度為150℃。

　　通過模擬試驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

　　(1)水的相變造成了壓力的迅速升高，不及時卸壓就會爆炸。

　　(2)閥門耐火試驗中采用針閥調(diào)節(jié)卸壓通道的方式可以保證腔體內(nèi)的壓力穩(wěn)定，使壓力可以得到控制。

　　(3)試驗過程中水被大量氣化，產(chǎn)生的高溫高壓水蒸氣會沖擊管線，縮短管線的使用壽命。

　　(4)若卸壓管線呈持續(xù)高溫狀態(tài)，就會降低安全系數(shù)。

2、解決方法

　　如圖4所示，在著火過程中可以通過針閥4進行卸壓，通過調(diào)節(jié)針閥的開度來調(diào)節(jié)卸壓的速度。

圖4 閥門耐火試驗系統(tǒng)方法原理圖

　　1)計量罐;2)壓力泵;3)控制箱;4、7、8)針閥;5、9)氣動閥;6)壓力傳感器;10)阻氣裝置;

　　11)燃燒室;12)被試閥門;13)熱電偶;14)冷凝管線;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行計量，在被試閥門中產(chǎn)生的水氣混合物通過阻氣裝置10、針閥7、氣動閥5和針閥4流回計量罐。

　　阻氣裝置就是一個大管徑的U形管道。當高溫高壓的水氣混合物通過U形管道的時候，通過大管徑和改變方向就可以降低沖擊速度，同時對U形管道進行冷卻，水蒸氣經(jīng)過U形通道后就會變成水，溫度和速度都會降低，這樣就保證了上游管線的安全。

　　在被試閥門的兩端加裝與被試閥門通徑相同的連接管，由于連接管不在火焰中，所以連接管中的冷水先經(jīng)過卸壓管道，這樣就延緩了水蒸氣通過卸壓管道的時間。

　　試驗中被試閥門在火焰的作用下，壓力上升，這時氣動閥5打開，通過針閥4卸壓。如果被試閥門泄漏很快，壓力會下降，壓力泵會啟動補充壓力。通過壓力泵和針閥4就實現(xiàn)了被試閥門的壓力穩(wěn)定。

　　如果被試閥門有設計或制造缺陷，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(nèi)有鋼筋網(wǎng)并由水泥澆筑，用來承受爆炸時的主要沖擊，輕質(zhì)易碎的頂棚主要用來卸掉爆炸時產(chǎn)生的壓力，減輕對防爆墻的沖擊。