低温绝热气瓶用截止阀检测技术研究

2018-01-17李伟平

化工装备技术 2017年6期

李伟平

（广东省肇庆市特种设备行业协会）

0 概况

液化天然气（LNG）低温绝热气瓶是用于贮存、运输液化气体产品的高真空多层绝热可移动式低温液体容器，其关键控制部件主要是截止阀。截止阀的安全性能直接影响到低温绝热气瓶的使用效率和安全性能。一旦截止阀失效，造成瓶内LNG泄漏爆炸，则破坏力惊人。国家质检总局一直对瓶阀开展特种设备型式试验及许可制度，但由于国内目前尚无低温绝热气瓶用截止阀产品的国家标准，且无配套的产品性能检验检测设备，因此就需要对此开展研究。国内的低温截止阀产品质量水平与国外产品相比尚存在一定的差距，主要体现在产品在低温-196℃下的内部泄漏率和外部泄漏率较大，尤其是产品在经过低温疲劳循环测试后其泄漏率较大。为解决这些问题，需要综合考虑国内外相关产品的使用现状和技术水平，积极展开低温绝热气瓶用截止阀的产品试验项目和试验方法研究以及产品使用性能检测设备的研制，并及时起草和制定相关的国家标准《低温绝热气瓶用截止阀》，对低温绝热气瓶用截止阀的技术要求、试验方法、检验规则等进行规范管理。

低温气瓶附件处于低温、甚至超低温的工作环境，使用环境极其苛刻，极易造成阀体及密封面的外漏或内漏，从而影响其气密性，稍有泄漏就有可能酿成严重事故。所以对低温瓶阀的设计、制造、检测提出了极高的要求。低温绝热气瓶附件产品的设计、生产过程、关键检测指标的检测技术都将直接影响最终的产品质量水平。综合考虑上述因素，研究适合LNG低温气瓶用截止阀检测的方法，并研制低温气瓶用截止阀气密性和耐用性的检测设备，为起草国家标准《低温绝热气瓶用截止阀》提供技术支撑，这对低温气瓶阀的推广应用及发展具有重要的现实意义。

1 低温绝热气瓶用截止阀

低温绝热气瓶，是用于储存液氧、液氮、液氩、LNG、液化二氧化碳等低温液化气体的特种焊接气瓶，其工作压力不大于3.5 MPa。低温绝热气瓶从型式上可设计成立式或卧式。国外低温绝热气瓶制造商的具体制造工艺或要求一般是参照美国运输部制定的《焊接保冷气瓶》（DOT 4L）规范。国内生产制造低温绝热气瓶厂家则遵循 GB 24159—2009《焊接绝热气瓶》规范。低温绝热气瓶装配完整，包含内容器、外壳、绝热层、支撑系统、输液系统、增压系统和汽化系统7个主要部分，具有储存、运输、供液、供气四大功能。典型的低温绝热气瓶一般配置截止阀、调压阀、安全阀和液位计等气瓶附件[1]。

低温绝热气瓶用截止阀的质量好坏直接关系到气瓶的安全运行、绝热性能、加注技术、无损储存等，因此不允许出现任何差错。阀门故障和失效会造成LNG泄漏，引起燃烧甚至爆炸，造成严重事故，因此必须引起足够的重视[2]。由于液态低温介质通常是液氧、液氮、液氩、液化天然气、液化二氧化碳等，尤其LNG不但易燃易爆，而且在升温时要气化，气化时体积膨胀数百倍，所以对阀门的设计、制造、试验和检测等环节均要求极其严格[3]。

目前，从国内的低温绝热气瓶阀门行业来讲，对这种产品的技术要求、试验方法、检验规则等要求并不统一，没有统一的标准。国内生产企业所设定的检测项目较少，检测方法较为落后，检测技术要求较低，相应的检验检测设备大多为企业自主研发的简易设备，缺乏可靠性和准确性，且没有第三方检测机构能够进行公正性的产品质量检测。国外也无适合的低温气瓶阀产品制造标准和专业的检测设备，主要参考英国标准《低温容器低温气瓶用阀门》（BS EN 1626）等低温容器与阀门方面的技术规范[4]。

2 低温气密性检测技术研究

低温绝热气瓶是用于贮存、运输液化气体产品的高真空多层绝热可移动式低温液体容器。气瓶附件主要包括截止阀、调压阀，这些气瓶附件属于特种设备，具有比较高的危险性，必须进行严格的检验检测。然而国内目前尚无成熟的检验检测技术，更没有相应的技术标准和专用设备。由于低温绝热气瓶用截止阀的最低使用温度约为-196℃，这对气瓶附件在低温状态下的气密性要求较高。在深冷工况下，气瓶附件内部的密封元件和密封结构能否保证其气密性，对整个气瓶的安全性影响很大[5]。

针对LNG气瓶附件的低温气密性检测方法展开系统研究，综合考虑国内外LNG气瓶附件制造企业的检验现状和相关标准，推荐使用氦质谱检漏技术。氦质谱检漏法检漏效率高，仪器反应灵敏，检漏精度高，不易受其他气体的干扰[6]。氦质谱检漏法流程如图1所示。

图1 氦质谱检漏法流程

氦质谱检漏仪是根据质谱学原理，用氦气作示漏气体制成的气密性检测仪器。喷氦法、吸氦法是最常用的两种检漏方法。考虑到LNG气瓶附件体积较小，操作空间不大，因此采用吸枪检漏。将试验阀打开并浸入液氮中，关闭针形阀，往其内部通入高纯氦气，利用吸枪检查试验阀的外部气密性；再按规定力矩关闭试验阀，打开针形阀，往其进气口通入高纯氦气，在针形阀的出口处用吸枪检查试验阀的内部气密性。这样会得到一组泄漏率的试验数据（见表1），以此定量的测试方法来判断试验阀的低温气密性。

3 低温疲劳循环测试技术研究

在低温环境（-196℃）下，材料的组织结构稳定性受到考验。低温瓶阀材料极易产生低温脆性破坏以及材料相变所引起的体积变化，并且低温绝热气瓶阀所采用的是焊接结构，必须充分考虑到材料焊接性能及低温下焊缝的可靠性。在低温工况下频繁操作的低温阀门，其内件也易引起卡阻、咬合和擦伤等现象。综合考虑以上因素，对低温气瓶用截止阀和调压阀的检测测试就显得非常有必要，并且比常温工况用的阀门检测更为严格。

表1 截止阀低温气密性试验结果

在85℃的试验温度下，从阀的进气口通入压缩空气，其压力值为相应的气瓶公称工作压力，操作力矩不大于7 N·m，全行程启闭160次；然后从阀的进气口通入2 MPa的液氮，操作力矩不大于7 N·m，全行程启闭3 840次，进行耐用性试验，如图2所示。耐用性试验后样品应符合常温气密性要求。

图2 低温阀耐用性试验现场

在低温绝热气瓶用截止阀国家标准的研究和制定过程中，结合低温绝热气瓶用截止阀自身的特点，并参考国内外相关标准，斟酌方方面面，从产品适用范围、引用标准、相关术语、产品基本结构和型式编制方法、产品的材料要求、生产工艺要求、性能要求（包括启闭性、常温气密性、耐振性、耐压性、耐温性、耐用性、耐盐雾腐蚀性）和试验方法等多方面、全方位进行了考虑。