吴怀昆，郭怀舟，高红彪，郝伟沙，朱绍源，卢毛磊

（1合肥通用环境控制技术有限责任公司，合肥230088;2安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥230088)

摘要:阀门低温性能试验是低温阀门生产制造过程中的一个重要环节，各部位的温度是试验中的关键测量参数，尤其是阀门内腔温度，当内腔温度接近试验温度时，检验低温阀门在低温模拟工况环境下的性能，以对低温阀门整机性能作出评价。主要针对阀门低温试验标准的要求，结合实际操作经验，设计了一套温度检测系统，尤其是对阀门内腔温度的测量，提出了解决方案。

关键词:低温性能试验;内腔温度;工况;检测系统

引言

随着国家对能源需求的不断增长，液化天然气(LNG)作为清洁能源，能够有效地优化我国的能源结构，解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题，对实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。LNG运输、存储、接收和气化等设施设备的不断兴建使得低温阀门的需求也逐年上升。

低温阀门作为低温管道重要的控制元件，正在得到广泛运用，需求量逐年上升。由于其运行工况恶劣，作用关键，因此性能考核严格，其低温性能试验是生产与使用过程中的一道关键工序。

现行标准规定阀门低温试验时，将阀门浸入低温介质(主要为液氮或液氮与酒精的混合液)中，低温介质盖住阀体与阀盖连接部位上端，将阀门在试验温度下浸泡至少1小时，使阀门冷却至相应的低温试验温度并使各处温度稳定。低温阀门结构各异，型号规格各异，各组件热容量会有差异，同样降温速率也会存在差异，仅从时间上来统一规定低温性能试验，不够严谨。通过建立温度检测系统模型，在低温试验过程中，实时监测阀门各部位的温度变化，使得低温性能试验更科学。

2 阀门低温性能试验分析

目前，阀门低温性能试验所执行的标准主要是:GB /T 24925一2010、BS 6364:1984、MESC SPE77 /200 2012, JB /T 12622一2016等标准规定，低温试验的主要内容有:检验密封件、填料、上密封等处的密封情况;整机带压工况的操作性能等。检测参数有:阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、填料函、冷媒及环境温度，MESC SPE 77 /200 2012, JB /T 12622- 2016标准提出测量阀门内腔温度。

2.1 阀门低温性能试验装置

阀门的低温性能试验原理图如图1所示，大体上由低温系统、压力系统和测控系统三部分组成。目前的标准、资料所推荐的低温试验方法几乎都是采用外冷法，即利用低温介质(低温介质主要为液氮或液氮与酒精的混合液)从受试阀门外部提取热量，降低阀门温度。而低温阀门的实际工况条件是:低温介质从阀门内部流过，外部接触常温或相对较高温度环境。外冷法带来的问题是使低温阀门在试验初期产生一个与实际工况相反的温度梯度。如何判断阀门整体完全冷却至低温介质温度?阀门阀体、阀盖等各部位温度测量必不可少，同时，为保证阀门内、外温度一致，阀门内腔温度的测量成为关键，阀门内腔温度和低温介质温度一致时，能够更加真实地反映出阀门整体完全降温，此时进行的低温性能试验才能更加准确地考核阀门性能。

图1 阀门低温性能试验原理图

2.2 低温试验时阀门的结构变化分析

典型结构的非金属密封低温球阀如图2所示。球阀以启闭迅速、密封可靠、结构简单"重量轻、流阻小等特点，目前在低温管道系统得到较广泛应用，低温球阀是低温阀门的一个主要分支。

低温管道系统中的球阀，除少量一部分特殊用途、非典型结构的以外，大都为非金属软密封阀座结构。

低温性能试验时，以低温球阀为模型，低温介质盖住阀体与阀盖连接部位上端。对低温球阀而言，阀体和阀盖快速冷却，产生体积收缩，而此时球体、阀座尚未完全冷透，特别是由于非金属阀座的隔热作用，进一步延缓了热量传递。此时，原有的配合被改变，非金属阀座或组合阀座的非金属密封圈可能会受到过度挤压，造成各部件动作困难，这种现象朱绍源等人称之为“低温抱死”。

低温抱死严重时可能造成非金属阀座产生永久性变形，即所谓“冷流”现象，并且，聚四氟乙烯等非金属材料的热膨胀系数要大于金属材料，随着内、外温度的逐渐平衡，内件收缩，密封比压降低或消失，密封副失效!低温抱死带来的损害有时会很严重，除了对阀座的挤压外，连接壳体的紧固件和密封元件也会受到应力异常升高带来的损害，壳体和内件相互抱紧后，受力情况复杂，严重时也可能会造成结构上的永久改变。

图2 典型低温球阀结构

低温球阀产生低温抱死后最忌立即进行开、关操作，此时的开、关操作在极大的应力作用下很容易在阀座的密封面上产生一系列压痕，甚至会造成球体端口对阀座的“啃切”现象，很容易造成阀座完全失效。

防止低温抱死损害的有效手段是控制好降温速率，降温过程中保持阀门处于全开或全关位置，设法进行阀内温度的测定，维持一定的温度稳定时间，开、关操作前要尽可能保持阀门内、外温度平衡。控制好降温速率的前提是实时监控温度变化情况。

2.3 低温试验时长颈阀盖分析

以DN50一1500Lb的低温非金属密封球阀为例，将此阀门按照低温试验标准要求放入试验装置中进行低温试验。对此低温阀长颈阀盖、阀杆建模，对模型进行简化处理，只对阀杆、填料及长颈阀盖部分进行分析，再辅以边界条件来模拟实际的工况，通过ANSYS分析长颈阀盖温度梯度情况。热分析计算参数表如表1所示。利用AN- SYS软件对模型进行网格划分，然后进行稳态热分析计算。计算结果如图3所示，其温度由下到上逐渐增加，填料部位温度>0℃。

表1 热分析训计算参数表

低温阀门在线工作时，其中极其重要的一点就是要求保证填料函底部在0℃以上的温度环境下工作。如果阀门长颈阀盖设计不合理，填料部分会结冰，严重时会影响阀门开关，紧急情况下，无法开启或关闭阀门，存在安全隐患。保证填料函底部在0℃以上，这不仅仅是对低温阀门结构设计的要求，也是对低温试验的要求。

低温性能试验同时验证了长颈阀盖结构设计的合理性。监控阀杆(尤其是填料部位)及阀盖温度，防止外因造成的填料结冰，以保证试验安全、稳定的进行。

图3 长颈阀盖温度分布(单位:K)

可见，建立完善的温度检测系统，通过温度测量有效地实现对阀门内腔、阀体、阀杆(尤其是填料部位)、阀盖等阀门内、外温度的实时监控，随时掌握阀门温度变化情况，对低温阀门的性能试验至关重要。

3 阀门内腔温度检测

3.1 阀门内腔温度检测的目的

通过对阀门低温性能试验的分析，我们知道低温试验过程中温度检测是非常有必要的，尤其是阀门内腔温度的检测。当阀门内腔温度达到了试验要求的温度，阀门内、外温度才能平衡，低温试验才能进行，这样可以模拟工况温度，保证了试验的准确性，同时可以预防低温抱死，防止试验时对低温阀门本身造成破坏。

3.2 阀门内腔温度测量系统结构设计

阀门内腔温度测量系统一般建议安装在试验阀门流向的下游。低温试验标准都要求，在进行密封试验之前会进行低压下启闭动作试验，有的标准甚至要求在公称压力下进行启闭动作试验，在公称压力下，当阀门开启时，阀门下游压力同样为公称压力。所以，阀门内腔温度测量系统不但要考虑温度的测量，同时要考虑高压密封要求。其结构设计如图4所示。

测温元件为PT100，三线制，带温度补偿，封装在Φ4 mm左右的软体不锈钢套管中，此结构的PT100我们称之为恺装软体铂电阻。阀门内腔温度传感器与低温阀门连接的结构示意图如图5所示。

图4阀门内腔温度传感器结构

图5 与被试阀连接

铠装软体铂电阻插入}8 mm套筒中，此套筒按照试验装置最大测试压力范围承压，Φ4 mm的PT100通过卡套螺母套装固定。卡套螺母与Φ8 mm套筒焊接，可以承受系统的最大设计压力。套筒再与高压接头焊接，低温阀门配套盲板开孔，套筒与高压接头组件通过此孔插入低温阀门内腔，套筒与高压接头通过焊接方式固定在盲板(盲板与被试阀连接并密封)上，可承压。试验时，低温阀门出口端通道截面积有限，特别是对于小口径的阀门，除了要测量内腔温度外，还要对出口压力、泄漏率等进行监控，在有限的空间内布局所有测控单元非常困难，为此，我们研究并设计了一种组合测控单元，阀内腔测温单元与压力、泄漏率测量单元通过三通单元构成一个整体，再经过唯一的一个接口整体与盲板连接，节省了试验空间。

套筒长度L1根据低温阀门大小选择，套筒长度以不影响阀芯动作为宜。L2为恺装软体铂热电阻长度，根据低温阀门大小选择，以露出低温试验箱为宜，并保证航空插头部分工作温度为0℃以上。

图6 阀门低温性能试验温度检测系统

4 阀门低温性能试验温度检测系统

阀门低温性能试验温度检测系统模型如图6所示。温度检测系统的一次仪表选用PT100}测量范围为-200℃~200℃测量精度为A级。

低温阀门试验现场建立基站，连接阀门内腔、阀体、阀盖、阀杆、填料函、冷媒及环境等各部位的PT100温度信号以1V -SV的标准信号模式就地上二次仪表(高精度智能仪表)用于现场显示，同时信号接入控制室的PLC可编程控制器数据采集模块，实现数据采集、存储和对现场基站的工业控制。PC机采用组态的方式通过Internet以太网与PLC之间建立通讯。基于Internet以太网架构的温度检测系统具有以下特点:

(1)系统稳定可靠，检测精度高，优于B级;

(2)可以完成温度参数动态与稳态检测，数据处理与分析;   (3)通讯速率高，可以实现参数保护。通过高速率的温度检测可以实时控制降温速率，控制系统换热设备，防止低温对设备自身的伤害;

(4)系统设计简单灵活，可扩展，系统状态、故障分析与处理等可在组态中实现;

(5)数据采集与控制由现场仪表和PLC并行完成，系统结构更加灵活可靠;

(6)系统可以实时绘制出高精度的温度性能曲线，指导低温试验。

5 结语

现行阀门低温性能试验相关标准规定的阀门低温试验方法与低温阀门的实际运行工况环境，有一定的差异，应该合理的控制降温速率、降温方式、保温时间，使试验条件尽可能接近实际工况，温度的检测至关重要。设计合理、可行的阀门内腔温度测量机构，建立完善的温度检测系统，远程监控阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、填料函、冷媒及环境温度，尤其是阀门内腔温度，最大限度的降低阀门低温试验损伤，可以更加合理、科学地指导阀门低温性能试验和低温阀门产品结构设计，控制低温阀门产品质量。