低温阀门深冷试验装置的设计

1　前言
低温阀门通常是指工作温度在-40℃以下的阀门，随着空分、液化天然气、乙烯石化等工业的发展，近年来，低温阀门的市场需求逐年上升，应用领域也越来越广泛。低温阀门已成为阀门产品中的一个重要分支，而阀门的低温试验装置是低温阀门生产过程中不可或缺的关键设备，完整的、符合要求的阀门低温试验装置不仅是低温阀门生产和质量控制的保证，同时，也是低温阀门生产能力的重要象征。
2　低温阀门及其低温试验装置
2.1　低温阀门
低温阀门通常按其工作温度分类，-100-40℃的称为低温阀门，-100℃以下的称为超低温阀门，低温阀门的工作温度主要取决于其介质温度，表1列出了常见介质的气体液化温度，从其中的分布温度来看，低于-100℃的工况环境，目前应该受到高度重视。

表1　常用气体的液化温度 （℃）

图1　低温系统

低温试验槽的设计是本系统的重点，试验槽的尺寸要依据产品规格合理配置，以公称通径24in（600mm）、公称压力600磅的闸阀为例，结构长度1407mm，法兰外径1000mm，底部***盖壳体约1600mm。阀体两端安装垫环、盲板、螺栓螺母等长度约为1760mm，加上余量，内胆尺寸为2000mm，宽1600mm，高度加垫块、固定板后约1800mm、液面***口安全高度约200mm。低温槽外形尺寸（长、宽、高、保温层厚度）为2500mm、2100mm、2000mm、250mm。箱体承重可达2.5t/m2（设起吊环）。内腔侧板采用5mm304板，底板为7mm304，底座框架，外板为2mm304板。内外腔充填A、B双组分聚合物高保温材料。箱体和箱盖总重量为2.5～2.8t。表2为不同规格的试验槽设计尺寸。

表2　试验槽要求

低温试验槽应设计成敞口双层结构，以方便试件吊装，但要配有保温上盖，内胆要有足够的壁厚以承受可能产生的吊装冲击，底部要设置固定结构，防止试验中阀门的整体转动。内、外壁间填充高保温聚合物发泡材料，形成中间“绝热层”，内、外壁之间的传热方式主要是“热传导”，因此，其间的加强筋要设置“传热断桥”，防止随筋板产生的“热传导”，隔热筋板结构如图2所示。

图2　隔热筋板结构

试验槽半埋入地，以方便操作，利于保温，提高安全性。低温储罐与试验槽间及各试验槽间以真空管道相连，以方便补液和合理利用残液。管道设计要结合现场情况，合理安排切换阀组并加装安全阀。
4.2　压力管路系统设置
压力管路系统的目的是为了满足在低温状态下的阀门性能试验。压力管路系统如图3所示。

图3　压力管路系统

压力管路系统由蛇形压力管（DN6～10）、针型阀、气体增压泵、控制管 、承压盲板等组成，主要测试内容是阀门密封及低温操作性能，深冷状态下的试验介质以氦气为宜（气态氮气回到高压深冷环境后会产生二次液化）。出于经济上的考虑，对于大通径、高压力阀门的低温试验，应考虑贵重试验介质的重复使用，气体增压泵前后要设计正、反向切换回路，便于贵重试验介质回收，氦气可回收增压回路如图4所示。出于安全上的考虑，控制阀组尽可能引入操作控制室，避免长时间的现场操作。
4.3　测控系统
测试及数据采集系统由上位机、压电变送器、软式铠装铂电阻、高精度流量计、智能显示仪、积算仪、针形阀、酒精计泡器、氦质谱检漏仪以及采集电路等组成，如图5所示。测量参数包括：冷媒温度，阀体、阀盖、阀杆、填料、密封件温度，介质压力，泄漏量等。所选测试仪器应能适应-196℃以下工作环境。参数测量采用现场二次仪表与计算机远传采集相结合。压力参数经压力变送器传送入智能数字显示仪，流量参数经流量计（精度≤0.01mL/s）传送入智能流量积算仪，温度参数经PT100铂电阻变送器传送入智能数字显示仪，各仪表实时显示待监控参数，并将各参数通过RS232/485传输入上位机，供上位机监控分析软件计算分析数据。压力管路控制阀门及电气控制开关引入控制室，实时数据显示、现场打印、远程监测。

图4　氦气可回收增压回路

图5　测控系统

上位机（工控机）：负责接收智能数字显示仪和智能流量积算仪传送的信号，通过组态实现试验监控，并判断结果，形成试验参数曲线及 告。
5　结语
深冷处理和低温试验是低温阀门生产过程中的重要环节，而合格的低温试验装置是这项工作正常进行所必须的设备保证。
低温试验装置的建设要考虑：试验标准规范的适应，操作流程的合理，测量参数的准确，工作场所的安全，以及冷媒、试验介质的消耗和综合利用等。