王軍防

（國家管網(wǎng)集團 東部原油儲運有限公司 科技研發(fā)中心，江蘇徐州 221008）

0 引言

目前，國內(nèi)外現(xiàn)有氮氣式水擊泄壓閥由于自身原理限制，在水擊工況下泄壓開度小，泄壓能力受限，在嚴(yán)重的水擊工況下會面臨泄壓能力不足，嚴(yán)重威脅管線安全［1-3］。氮氣式水擊泄壓閥由主閥和氮氣供應(yīng)系統(tǒng)組成，如圖1所示。主閥采用氮氣直接作用的軸流式結(jié)構(gòu)。氮氣控制系統(tǒng)由氮氣柜對氮氣進(jìn)行調(diào)壓和氮氣壓力監(jiān)控；當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定值時可及時補壓，防止因泄壓能力不足導(dǎo)致的安全隱患［4-6］。氮氣式水擊泄壓閥為原油管線重要的安全設(shè)備，研制時必須對其功能和關(guān)鍵性能進(jìn)行充分的試驗驗證。

圖1 DN200 CL600氮氣式水擊泄壓閥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structuredrawing of DN200 Cl600 nitrogen type water hammer relief valve

由于氮氣式水擊泄壓閥的工作壓力較高、流量大，目前，國內(nèi)對可滿足高壓、高流要求的液流試驗臺的研究和應(yīng)用并不多，大部分試驗臺并未針對高壓、高流的試驗需求進(jìn)行專門設(shè)計，通用性也不足，還存在安全性較低、試驗精度不足等技術(shù)缺陷［7］。在實際工程中，為了實現(xiàn)對氮氣式水擊泄壓閥等特殊閥門的可靠性評估，可以采取多種技術(shù)手段，而液流試驗平臺作為多種檢測手段的核心裝置，具有重要的研究價值［8-9］。

本文設(shè)計并搭建了一種專門解決高壓、高流氮氣式水擊泄壓閥的試驗臺，提出4種專有測試方法，實際測試閥門各項關(guān)鍵性數(shù)據(jù)，驗證了其整體系統(tǒng)的強度、密封等性能，保證了操作過程的安全性和試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，使得所設(shè)計的液流試驗臺可兼顧可靠性檢測和各項具體試驗需求。

1 液流試驗平臺設(shè)計

氮氣式水擊泄壓閥為原油管線重要的安全設(shè)備，研制時必須對其功能和關(guān)鍵性能進(jìn)行充分的試驗驗證［10］。針對其高壓力、大流量的特點，本文設(shè)計一套泄壓閥性能測試的液流試驗平臺。

1.1 試驗平臺設(shè)備組成及參數(shù)

液流試驗平臺主要部件包括高壓泵、旁路管、閥后調(diào)節(jié)閥、閥前調(diào)節(jié)閥、旁路調(diào)節(jié)閥、氮氣式水擊泄壓泵、氮氣瓶（2個）、主管路等，該試驗平臺主管路直徑為DN250，最大增壓能力為5 MPa，最大流量為400 m3/h。

1.2 試驗平臺工作原理

液流試驗平臺原理如圖2所示。試驗時，先將調(diào)節(jié)閥2和調(diào)節(jié)閥3全開，通過氮氣瓶1、氮氣瓶2以及減壓器調(diào)節(jié)所需氮氣腔壓力，并通過給水泵供水，高壓泵增壓，調(diào)節(jié)閥1調(diào)節(jié)所需閥前入口的壓力，最后通過快速啟閉調(diào)節(jié)閥3來模擬水擊工況。

圖2 液流試驗系統(tǒng)原理示意Fig.2 Schematic diagram of liquid flow test system

通過監(jiān)測進(jìn)口壓力傳感器P2、出口壓力傳感器P3、氮氣腔壓力傳感器P1以及主閥閥位指示器上的位移傳感器，獲得對應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過上述傳感器采集到的信號，分析各個壓力曲線和閥位位移曲線來進(jìn)行氮氣式水擊泄壓閥的一系列動態(tài)性能試驗。

1.3 試驗平臺優(yōu)越性

相比于現(xiàn)存的液流試驗系統(tǒng)，本試驗平臺在給水泵后單獨設(shè)置高壓泵，并配以調(diào)節(jié)閥1調(diào)節(jié)對應(yīng)的壓力，從而有更大的增壓能力，流量也更大，能夠滿足測量氮氣式水擊泄壓閥和氮氣供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度、密封性能、動作可靠性和整閥系統(tǒng)的可靠性的試驗要求。

2 試驗方法

試驗中將選擇某一型號的氮氣式水擊泄壓閥主閥分別進(jìn)行各項試驗。分別對氮氣腔壓力為1，2，3，4，5 MPa的工況（工況 1～5）進(jìn)行試驗驗證。同時，在研制過程中摸索出如下一系列試驗驗證方法［11-12］。

2.1 設(shè)定壓力、響應(yīng)時間和設(shè)定壓力誤差試驗

在試驗過程中，通過控制旁路的快速啟閉來模擬水擊。當(dāng)閥前壓力跟氮氣腔壓力及彈簧作用力相平衡時，閥芯達(dá)到一個臨界狀態(tài)，此時的閥前壓力為設(shè)定壓力。以閥芯處于平衡狀態(tài)到入口壓力隨時間變化的斜率出現(xiàn)明顯突變的時間為響應(yīng)時間。理論設(shè)定壓力為1.08倍的氮氣腔壓力，實際設(shè)定壓力與理論設(shè)定壓力之間的誤差為設(shè)定壓力誤差［13］。

從圖3可看出，水擊工況下，閥前壓力瞬時增大，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力判定線時，閥前壓力出現(xiàn)明顯的拐點，氮氣腔壓力出現(xiàn)明顯的斜率突變，在該點處的閥前壓力與氮氣腔壓力、彈簧作用力可以達(dá)到短暫的平衡，然而此時的閥前壓力為設(shè)定壓力。在閥前壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，由于閥芯、閥座和閥座密封圈存在一定的死區(qū)，在閥芯處于死區(qū)時，氮氣腔壓力略微升高，并處于波動狀態(tài)，閥芯需脫離死區(qū)后才能開啟，從設(shè)定壓力至脫離死區(qū)所用的時間為響應(yīng)時間，即設(shè)定壓力判定線和閥芯動作判定線之間的時間段為響應(yīng)時間。設(shè)定壓力判定線所對應(yīng)的氮氣腔壓力乘以1.08為理論設(shè)定壓力，理論設(shè)定壓力與實際設(shè)定壓力之間的誤差為設(shè)定壓力誤差。

圖3 設(shè)定壓力和響應(yīng)時間試驗結(jié)果Fig.3 Setting pressure and response time tests

2.2 回座壓力和回座時間試驗

在試驗過程中，當(dāng)消除水擊工況后，閥前壓力逐漸減小，直至閥芯回座，此時的閥前壓力為回座壓力；從回座時達(dá)到設(shè)定壓力至閥芯回座的時間為回座時間［14］。

從圖4可看出，當(dāng)閥位位移曲線的斜率剛好為零時的閥前壓力為回座壓力，設(shè)定壓力等效線和回座壓力判定線之間的時間段為回座時間。

圖4 回座壓力和回座時間試驗結(jié)果Fig.4 Return pressure and return time tests

2.3 閥位指示跟隨性試驗和重復(fù)性試驗

在設(shè)定壓力和回座壓力的測試過程中，通過閥位傳感器和閥前后及氮氣腔壓力傳感器實測數(shù)據(jù)的同步性來判斷閥位指示的跟隨性。在同一工況下，通過多次重復(fù)試驗，記錄閥位最大值之間的誤差，來判定其重復(fù)性試驗誤差。

2.4 大流量快速泄壓系統(tǒng)試驗

大流量快速泄壓系統(tǒng)試驗曲線如圖5所示，臨界線1為第2次快速泄壓試驗中閥前壓力的波谷（第2次低壓壓力開關(guān)觸發(fā)值），此時氮氣腔壓力和閥位位移均處于峰值、進(jìn)出站流量處于波谷，表明氮氣腔被壓縮，閥門處于該工況下的最大開度。臨界線2為第3次快速泄壓試驗中閥前壓力的波峰（第3次高壓壓力開關(guān)觸發(fā)值），此時的情況與臨界線1剛好相反，閥門處于該工況下的最小開度。臨界線3為第3次快速泄壓試驗中閥前壓力的波谷（第3次低壓壓力開關(guān)觸發(fā)值），此時的情況與臨界線1相同，完成了一個周期的泄壓和回座。其中，臨界線1與臨界線2之間的時間為氮氣腔沖壓時間，即閥芯回座時間；臨界線2與臨界線3之間的時間為閥門泄壓時間。

圖5 大流量快速泄壓系統(tǒng)試驗Fig.5 High flow and rapid pressure relief system test

上述4種方法定義了設(shè)定壓力、響應(yīng)時間、設(shè)定壓力誤差、回座壓力和回座時間等重要概念，提出了在同一工況下，多次重復(fù)試驗，記錄閥位最大值誤差，來判定其重復(fù)性試驗誤差，在大流量快速泄壓系統(tǒng)試驗中，通過3條臨界線，找到對應(yīng)工況的閥門最大最小開度。

對比相關(guān)安全閥標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合大量的試驗和分析數(shù)據(jù)表明，以上4種試驗方法有效可行，能夠?qū)Ω吖ぷ鲏毫?、較大流量的氮氣式水擊泄壓閥的各項試驗指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的驗證。

3 驗證試驗及結(jié)果分析

為驗證所設(shè)計的試驗平臺和試驗方法，搭建了如圖6所示的一套泄壓閥液流試驗平臺，并對一臺已知型號及性能參數(shù)的泄壓閥進(jìn)行前述4項性能試驗，并將試驗結(jié)果與其性能參數(shù)進(jìn)行對比，從而驗證試驗平臺有效性。

圖6 液流試驗平臺Fig.6 Flow test bed

3.1 驗證試驗

3.1.1 研究性能試驗

本文試驗選用型號為200YXY-100D的氮氣式水擊泄壓閥主閥分別進(jìn)行設(shè)定壓力試驗、響應(yīng)時間試驗、回座壓力試驗和閥位指示跟隨性試驗，泄壓閥主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 200YXY-100D主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of 200YXY-100D

以氮氣腔壓力5 MPa為例，其各種工況下的氮氣腔壓力、閥前壓力和閥位位移曲線如圖7～9所示。

圖7 設(shè)定壓力試驗結(jié)果Fig.7 Results of set pressure test

圖8 回座壓力試驗結(jié)果Fig.8 Results of reseating pressure test

圖9 閥位跟隨性試驗結(jié)果Fig.9 Results of valve position following test

針對氮氣腔壓力分別為 1，2，3，4，5 MPa的實際工況（工況1～5），通過對氮氣式水擊泄壓閥強度、密封、動作及各種壓力工況的設(shè)定壓力、響應(yīng)時間、回座壓力及閥位指示等性能進(jìn)行試驗研究，獲取的試驗參數(shù)見表2。

表2 各工況下氮氣式水擊泄壓閥的性能參數(shù)Tab.2 performance parameters of nitrogen water hammer pressure relief valve under various working conditions

3.1.2 動作性能試驗

利用圖6所示的試驗系統(tǒng)，對氮氣腔壓力為2 MPa工況下的氮氣式水擊泄壓閥主閥進(jìn)行了100次動作試驗。圖10示出動作試驗的部分壓力曲線和位移曲線。

圖10 氮氣式水擊泄壓閥動作試驗壓力和位移曲線Fig.10 pressure and displacement curve of nitrogen type water hammer relief valve action test

3.2 結(jié)果分析

由上述試驗結(jié)果可得到以下結(jié)論：

（1）該型號泄壓閥真實的設(shè)定壓力與氮氣腔壓力比值為1.08，通過對5種工況各進(jìn)行3次水擊試驗，試驗平臺測試數(shù)據(jù)分別為1.086，1.081，1.09，1.094，1.082，與閥的真實性能誤差最大不超過0.85%；

（2）設(shè)備運行過程中，該型號泄壓閥真實的開啟時響應(yīng)時間均小于100 ms，平臺通過對5種工況各進(jìn)行3次水擊試驗，測試的響應(yīng)時間分別為 72.33，71.47，73.65，72.65，43.9 ms，均滿足該型號泄壓閥真實響應(yīng)時間；

（3）該型號泄壓閥真實回座壓力不小于90%設(shè)定壓力，平臺測試的回座壓力與設(shè)定壓力的比值均在90%以上；

（4）試驗臺的閥位指示靈敏，動作可靠，閥位重復(fù)試驗誤差均小于0.5%，可以滿足對泄壓閥的測試精度要求

（5）動作性能試驗過程中，試驗臺的閥位指示的重復(fù)性和跟隨性良好，各壓力和位移值均相對穩(wěn)定且密封性滿足要求。

3.3 試驗總結(jié)

在本次試驗中，對所搭建的液流試驗平臺采用4項試驗方法，以氮氣腔壓力為1～5 MPa為例，對型號為200YXY-100D的氮氣式水擊泄壓閥進(jìn)行試驗。平臺測試得到的設(shè)定壓力、響應(yīng)時間、回座壓力、設(shè)定壓力誤差、閥位重復(fù)性試驗誤差均與真實各項性能指標(biāo)誤差較小。動作性能試驗也表明試驗臺閥位指示的重復(fù)性和跟隨性良好，密封性滿足要求。上述結(jié)果可證明文章所設(shè)計和搭建的液流試驗平臺與4種試驗方法的有效性。

4 結(jié)語

為了對一些高工作壓力、大流量氮氣式水擊泄壓閥的功能和關(guān)鍵性能進(jìn)行充分試驗驗證，本文設(shè)計搭建了一種氮氣式水擊泄壓閥液流試驗平臺，并介紹了該試驗平臺的結(jié)構(gòu)特點和工作原理。采用型號為200YXY-100D的氮氣式水擊泄壓閥對試驗平臺進(jìn)行試驗，并在試驗過程中得出4種有效的試驗方法，試驗結(jié)果證明該液流試驗平臺的有效性，為氮氣式水擊泄壓閥等對壓力、流量有較高要求的設(shè)備測試試驗研究奠定基礎(chǔ)。