王 劍，范宜霖，雷 艷，彭 林，黃 健，張繼偉，徐曉剛

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.蘭州理工大學(xué) 石油化工學(xué)院，蘭州 730050）

0 引言

石油石化行業(yè)中閥門的端部連接通常是裝置系統(tǒng)潛在的故障點(diǎn)，當(dāng)閥門或法蘭的端部連接長時間暴露在周圍高溫火焰環(huán)境中，法蘭外部和螺栓的加熱速度要快于法蘭內(nèi)部和密封件的加熱速度，產(chǎn)生連接點(diǎn)的溫度梯度，將導(dǎo)致密封預(yù)緊力的損失，失去維持密封所需的接觸壓力，同時密封墊的強(qiáng)度不足以承受壓力載荷或所承受的溫度超過極限，會導(dǎo)致接頭剛度的降低以及墊圈、雙頭螺栓等的屈服，產(chǎn)生永久性拉伸引起永久性預(yù)緊力損失，導(dǎo)致閥門泄漏，造成經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境破壞以及重大安全事故。因此，閥門端部連接在燃燒狀態(tài)下的抗彎和抗壓的設(shè)計性能需要通過試驗的驗證，方可安全的應(yīng)用在石油石化行業(yè)中，現(xiàn)有技術(shù)尚沒有針對閥門端部連接耐火性能測量的系統(tǒng)及測量方法［1-3］。

1 設(shè)計依據(jù)

我國現(xiàn)有對燃燒條件下端部連接承壓性能進(jìn)行試驗和評價的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為國家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6745-2008 《端部連接耐火試驗規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)等同采用API Spec 6FB：1998《Fire Test for End Connections》，其中分兩章分別對陸地或近海用端部連接和海上平臺用端部連接進(jìn)行了耐火試驗的要求。適用于法蘭式端部和出口連接、螺紋式端部和出口連接以及其他端部連接。未涉及閥門、井口密封或其他相關(guān)設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)附錄A 中端部連接耐火試驗系統(tǒng)的推薦布置如圖1 所示［4-5］。

圖1 推薦的端部連接耐火試驗系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of a recommended fire resistance test system for end connections

實際燃燒工況下閥門端部連接的與法蘭式或螺紋式端部連接存在差異，如果將SY/T 6745—2008《端部連接耐火試驗規(guī)范》附錄A 中推薦的系統(tǒng)布置直接應(yīng)用于閥門端部連接耐火試驗會存在以下問題：

（1）增壓泵直接驅(qū)動水源作為試驗介質(zhì)無法保障整個試驗過程都使用水，測漏裝置中需再增設(shè)濾液器、濾氣器以及補(bǔ)償管路，同時增壓泵增壓比過大以及測試過程中閥門開度的變化容易造成的壓力波動，難以確保了試驗測量的精度。

（2）較法蘭式和螺紋式端部連接相比，閥門端部連接尺寸及重量較大，試驗時拆裝、固定及移動的復(fù)雜程度高、難度大，難以在試驗罩內(nèi)完成上述所有工作，需設(shè)計單獨(dú)的彎矩加載機(jī)構(gòu)在試驗開始前及結(jié)束后實現(xiàn)被測閥門的準(zhǔn)備工作。

（3）閥門端部連接耐火試驗用彎矩加載機(jī)構(gòu)需同時具備閥門拆裝、移動推送以及施加彎矩載荷的功能，同時需考慮隔熱，以精確保證700 ℃溫度試驗環(huán)境下彎矩載荷的施加，同時防止機(jī)構(gòu)壁面高溫?zé)醾鲗?dǎo)不對其他部件產(chǎn)生損害。

2 系統(tǒng)組成及原理

2.1 系統(tǒng)組成原理

閥門端部連接耐火性能試驗系統(tǒng)主要由試驗壓力源系統(tǒng)、試驗主管路、燃?xì)夤苈?、燃燒室、彎矩加載裝置、側(cè)漏系統(tǒng)等組成，如圖2 所示。試驗壓力源系統(tǒng)為耐火試驗提供條件，燃燒室為被測閥門進(jìn)行耐火性能試驗提供外部試驗環(huán)境，試驗主管路設(shè)置在燃燒室外且伸入管路至燃燒室與被測閥門兩端連接，彎矩加載裝置對被測閥門施加彎矩且使被測閥門在燃燒室內(nèi)進(jìn)出，測漏裝置包括包裹在被測閥門外的密封罩以及通過管路與密封罩連接且設(shè)置在燃燒室外的測漏組件［6-8］。

圖2 閥門端部連接耐火試驗系統(tǒng)示意Fig.2 Schematic diagram of fire resistance test system for valve end connection

閥門端部連接耐火性能試驗裝置中的儲水容器為不銹鋼壓力容器，頂部設(shè)有安全泄壓裝置，底部設(shè)有排污閥門，同時加裝了電子液位傳感器，可以實時顯示試驗過程中容器中液位的變化情況。進(jìn)水管路與儲水容器之間設(shè)有水源進(jìn)口閥門，儲水容器與燃燒室的連接管路之間依次設(shè)有過濾器、水源出口閥門、壓力傳感器以及冷卻器。

閥門端部連接耐火性能試驗裝置的燃燒室為碳鋼材料密閉的試驗腔室，燃燒室內(nèi)壁設(shè)有防火纖維，單側(cè)設(shè)有可開啟艙門，試驗前需打開艙門安裝被試閥門，試驗過程中需關(guān)閉艙門。燃燒室試驗管路同側(cè)設(shè)有燃?xì)夤苈罚細(xì)夤苈飞显O(shè)有燃?xì)忾_關(guān)閥，同時燃?xì)夤苈纺┒宋挥诒粶y閥安裝位置處設(shè)有電子點(diǎn)火裝置。

閥門端部連接耐火性能試驗裝置的測漏系統(tǒng)由金屬箔填料密封罩、測漏管線、冷凝器和量器組成，金屬箔填料密封罩與閥門管道主密封連接間形成一個密閉的試驗腔，金屬箔填料上設(shè)有2 個測漏孔，與兩根長度相等的側(cè)漏管線相連接，測漏管線經(jīng)過冷凝器后進(jìn)入量器［9-10］。

2.2 系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)

較國內(nèi)外現(xiàn)有同類試驗系統(tǒng)相比，本試驗系統(tǒng)采用不可壓縮的溶液作為試驗介質(zhì)，試驗介質(zhì)由壓力氣源推送至被測閥門，保障了整個燃燒試驗過程中都使用溶液的同時避免傳統(tǒng)增壓泵驅(qū)動水作為壓力源時增壓比過大造成的壓力波動，有效控制系統(tǒng)的壓力波動范圍在±10%以內(nèi)。

針對傳統(tǒng)U 形阻氣管冷卻能力不足的問題試驗主管路設(shè)置了過濾器及冷卻器，同時測漏裝置中也無需再設(shè)置濾液器、慮氣器以及補(bǔ)償管路，進(jìn)一步提高試驗管路及測漏系統(tǒng)的使用壽命及性能，確保了試驗測量的精度誤差范圍在±5%以內(nèi)［11-12］。

3 彎矩加載系統(tǒng)設(shè)計

3.1 彎矩加載系統(tǒng)設(shè)計計算

彎矩加載系統(tǒng)的良好運(yùn)行是整個試驗過程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，彎矩加載系統(tǒng)參數(shù)與被測閥門口徑的的合理設(shè)計不僅能保障試驗的精度也能提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，彎矩加載受力原理如圖3所示。

圖3 彎矩加載原理Fig.3 Schematic diagram of bending moment loading

彎矩加載系統(tǒng)中彎矩加載油缸所施加彎矩力的大?。?/p>

式中 M ——最大力矩；

L ——力臂。

閥門所受試驗介質(zhì)的壓力大?。?/p>

式中 P ——試驗介質(zhì)壓力；

D ——閥門通徑。

彎矩加載油缸所施加力的大小與閥門所受試驗介質(zhì)壓力大小一致，即F油=F閥，故：

3.2 彎矩加載系統(tǒng)組成及原理

彎矩加載系統(tǒng)主要由閥門安裝夾具、移動推送平臺、液壓動力站和遠(yuǎn)程控制操作臺等4 部分組成，如圖4 所示。

圖4 彎矩加載系統(tǒng)示意Fig.4 Schematic diagram of bending moment loading system

閥門安裝夾具為左右開合結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)不同大小閥門的拆裝作業(yè)，移動推送機(jī)構(gòu)是將安裝的被測閥門送入高溫試驗爐體內(nèi)；液壓動力站為閥門安裝和推送機(jī)構(gòu)提供動力；所有的操作控制均在獨(dú)立的電氣控制操作臺上完成。

閥門安裝夾具主要由2 組彎矩加載力臂、2組被測閥安裝法蘭組件、彎矩加載油缸及拉壓力傳感器組成，彎矩加載力臂與被測閥安裝法蘭組件采用螺栓連接，連接處設(shè)有隔熱石棉墊。如圖5 所示，彎矩加載油缸端部安裝有拉壓力傳感器，可以將實時的拉壓力數(shù)值傳到控制臺及主控制臺以便于檢測。

圖5 被測閥門安裝示意Fig.5 Installation diagram of valve under test

遠(yuǎn)程控制臺與彎矩加載裝置連接，自動化集成了液壓泵遠(yuǎn)程啟動、彎矩加載遠(yuǎn)端調(diào)節(jié)和控制各閥門開閉。同時設(shè)有數(shù)顯儀表，實時顯示試驗結(jié)果。與量器、壓力傳感器、液位計、熱電偶及熱量計等相連接，可實時監(jiān)測并采集試驗數(shù)據(jù)。

4 試驗方法

借鑒國家石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6745—2008《端部連接耐火試驗規(guī)范》中對端部連接的試驗要求，并結(jié)合所設(shè)計閥門端部連接耐火試驗系統(tǒng)的流程架構(gòu)，提出試驗操作流程，具體包括以下步驟：

（1）將被測閥門安裝在彎矩加載系統(tǒng)的法蘭上，通過遠(yuǎn)程控制操作臺啟動液壓泵，動力機(jī)構(gòu)中的液壓系統(tǒng)開始工作，通過移動推送平臺將被測閥門推送至燃燒室內(nèi)部。

（2）將被測閥門兩端分別與試驗管路及排放管路相連接，然后在被測閥門上設(shè)置密封罩，將設(shè)置好的待測閥門密封罩與測漏系統(tǒng)的管路連接；

（3）測漏系統(tǒng)通過管路向被測閥門密封罩內(nèi)輸入氣體，直至施加不小于0.034 MPa 的壓力，檢測密封罩性能，然后用干燥的氮?dú)饣驂嚎s空氣干燥泄漏裝置中的管路和被測閥門密封罩。

（4）打開水源出口閥和待測閥門末端排放閥，使儲液容器中的試驗介質(zhì)經(jīng)過待測閥門且后經(jīng)輸出管路排出試驗管路中空氣，關(guān)閉水源出口閥和排放閥。

（5）打開壓力氣源中增壓組件與儲液容器連接管路上的壓力調(diào)節(jié)閥，增大被測閥門進(jìn)口端壓力；打開燃?xì)夤苈分腥細(xì)忾_關(guān)閥，為點(diǎn)火提供燃料，控制燃燒裝置中的熱電偶在不同階段的溫度值；具體為：熱電偶平均溫度在2 min 之內(nèi)達(dá)到761 ℃，在熱電偶平均溫度達(dá)到650 ℃之前，保持平均溫度在761～980 ℃之間，燃燒試驗其余時間熱電偶讀數(shù)不低于704 ℃；熱量計平均溫度在點(diǎn)火15 min 內(nèi)達(dá)到650 ℃，不得低于565 ℃。

（6）待被測閥門在燃燒狀態(tài)下持續(xù)25 min后，啟動彎矩加載裝置，使被測閥門兩端受力，在一定時間內(nèi)，階梯式增加彎矩，采集每一次施加的彎矩對應(yīng)的泄漏量，在保持總泄漏量不超過最大允許泄漏量的情況下，采集最大彎矩。具體為：每增加一次彎矩暫停15 s，最大彎矩不低于被測閥門承載力的75%。

（7）檢測完畢后，通過遠(yuǎn)程操作臺消除施加在閥門端部連接處的壓力同時切斷燃?xì)夤?，待被測閥門溫度降至常溫后，移動平臺將被測閥門推送至燃燒室外部，一次檢測循環(huán)完畢。

通常被測閥門在耐火試驗過程中及耐火試驗結(jié)束冷卻后會出現(xiàn)內(nèi)泄漏及外泄漏2 種失效現(xiàn)象。內(nèi)泄漏是指通過閥座的泄漏，外泄漏是指通過閥體法蘭連接處、螺紋連接處以及閥桿密封處等的泄漏。針對閥門耐火試驗中出現(xiàn)的失效形式可通過優(yōu)化閥門耐火結(jié)構(gòu)及密封緊固件的材料進(jìn)行改善，例如選用耐高溫的墊片，如不銹鋼石墨纏繞墊、金屬八角墊等；選用強(qiáng)度等級較高的鉻鉬鋼螺栓；選用閥桿密封填料應(yīng)選用耐高溫填料，如柔性石墨等［13-16］。

5 結(jié)論

閥門端部連接耐火試驗系統(tǒng)是一套高度集成化測試系統(tǒng)，其試驗方法基于SY/T 6745—2008《端部連接耐火試驗規(guī)范》所提出。

（1）壓力氣源驅(qū)動試驗介質(zhì)的施壓方式，避免了增壓泵驅(qū)動水作為壓力源時增壓比過大造成的壓力波動，同時無需設(shè)置濾液器、濾氣器以及補(bǔ)償管線，提高了整套系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，有效控制系統(tǒng)的壓力波動范圍在±10%、測量參數(shù)的精度誤差范圍在±5%以內(nèi)。

（2）過濾器及冷卻器的設(shè)置，提高試驗管路及測漏系統(tǒng)的使用壽命及性能，解決了傳統(tǒng)U 形阻氣管冷卻能力不足的問題，保障了試驗外漏的測量精度。

（3）彎矩加載系統(tǒng)的研制有效地解決了被測閥門拆裝及試驗的難題，實現(xiàn)了對閥門端部連接燃燒工況下承壓性能的試驗和評價。該研究成果對燃燒工況下連接件承壓性能試驗系統(tǒng)的設(shè)計及試驗方法的優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。