工业低温管路试验技术研究

杨光伟 张超 郭娇娇

摘要：工业管路中在进行液氮长距离输送时，除了要进行液压气密试验之外，还需要进行液氮冷冲击试验，确保工艺管路在进行液氮环境下进行输送时不发生泄露事件。本文以工业低温管路为研究对象，提出了人工和自动液氮冲击试验的思路，同时对冷态密封问题提出简易的解决方案。

关键词：工业管道;液氮;密封;

【中图分类号】TE972

【文献标识码】A

【文章编号】2236-1879（2018）13-0010-02

引言

工业管道是石油、化工、轻工、制药、矿山等工业企业管道设施的总称。工业管道广泛应用于各行业、各个城乡区域。工业管道与压力管道范围有交叉，但工业管道范围要大。二者交叉范围的管道，涉及工艺流程多，生产环境复杂，输送介质多样，管道安装环境多变。工业管道的概念包括：连接的设备设施、管子、阀门、管件和支吊架等内容。在介质输送过程中，管道的性能就显得尤为重要，直接影响介质输送的效率、安全性及外界环境。管道试验项目主要包括：强度试验和严密性试验，而强度试验又细分为液压试验与气压试验[1-4]。工业管路中在进行液氮长距离输送时，除了要进行液压气密试验之外，还需要进行液氮冷冲击试验，确保工艺管路在进行液氮环境下进行输送时不发生泄露事件。工业低温管路试验中有一种特殊的试验技术叫液氮冷冲击试验技术，用来考核工业液氮输送管路系统在冷态环境下特别是焊接接头部位是否会发生变形，检验刚度的一致性，同时考核焊缝质量，暴露出一部分弱连接的部位。这是保证工业液氮输送系统在工况下能够正常运行的重要试验手段。

1 低温管路试验

本文主要研究低温管路试验中的一种特殊的试验类型，即液氮冷冲击试验。该试验的主要流程为产品充满液氮、浸泡20min、液氮回收、停放至常温，再进行第二次冷冲击试验。液氮冷冲击试验需要在焊接后X光检查合格后进行，考察合格焊缝的抗低温性能;需在强度試验之前进行，可考察低温管路的力学性能。如果在液氮工作压力下试验管路，会有极大的危险性，并且相关的试验设备造价昂贵，不宜用此方法，管路试验的流程图如图l。

工业管路的低温冷冲击试验仍然按照先干管再支管的试验顺序：

1、干管。干管产品进行冷冲击时，一般采用倾斜内部灌注液氮法，试验前，在管子一端用冷冲击试验工装封堵，并将管子用吊装设备将管子一端（无工装）立起靠在工作台上，工作台上摆放限位木托，管子另一端需在地面上摆放限位木托，防止管子滚动。试验工从工作台上向管内灌注液氮（使用液氮贮存桶），管子灌注端需要使用自制的灌注漏斗，并固定在管端的法兰上。（大导管冷冲击试验至少需要三人配合）试验采用两头轮流灌注法，每次灌注时保证液氮液面高于管子高度一半以上，试验工需要时刻关注液氮液面，如果液面低于管子高度一半时需要立即补充液氮。冷冲击时间为20min，由操作者记录冷冲击试验时间。注意整个管子均进行冷冲击后算一次冷冲击试验。试验过后，回收液氮或让液氮自然挥发，恢复至常温（表面无结霜，管子外表面有少量的液体水），重复上述试验一次。试验结束后，试验工通知检验员检查导管有无明显裂纹、变形及其他异常现象。

如果干管的直径过大，采用上述方法会使得液氮体积过大，对倾斜的管体造成压力，并在极冷环境下产生变形，破坏管路。因此在进行超大直径干管冷冲击试验时，采用水平内部灌注液氮法，试验前，在管子两端用冷冲击试验工装封堵，管子两端处需在地面上摆放限位木托（管子超过4米应在管子中间增加额外木托），防止管子滚动。试验工从隧道管的一端开始灌注液氮，并时刻关注液氮液面，如果液面低于管子高度一半时需要立即补充液氮。尽管冷冲击试验工装样式不同，但是整个灌注过程中必须保证有足够的出口用于液氮挥发。常见的方法有两种，一种是将管子上面的全部接管嘴的堵头拧开，保证氮气从接管嘴处挥发;

另一种是将管子两边封堵采用半封堵状态，氮气可从管子两端挥发;条件允许的情况下，可使用局部冷冲击工装逐个对焊缝部位进行冷冲击试验。同样冷冲击时间为20min，由操作者记录冷冲击试验时间。

2、支管。支管产品进行冷冲击时，采用局部焊缝浸泡法，将导管焊缝端部完全浸泡入液氮始终保持液氮液面高于焊缝或将尺寸过小的小导管整个浸泡在液氮中，冷冲击时间为20min，由操作者记录冷冲击试验时间。20min过后，取出支管，恢复至常温（表面无结霜，管子外表面有少量的液体水）。试验结束后，试验工通知检验员检查导管有无明显裂纹、变形及其他异常现象。

3、自动化技术。液氮冷冲击试验也可以采用自动化技术。自动化系统分为自动排气系统、液氮贮存、加注及回收系统、液氮试验槽和监测控制系统。系统基本原理是将液氮先注入液氮罐，再通过控制阀将液氮输入到液氮试验槽内，槽内有液面和温度监测，目的是将操作者与试验槽隔离开，操作者只需查看相应数据显示来判断试验过程，并通过阀门控制系统将试验完毕后的剩余液氮返回到液氮罐中。液氮自然挥发时需要通过自动排气系统进行自排气，如果需要将罐内的液氮快速挥发时，还需要通过一个加速挥发系统。

2 低温管路试验密封问题。低温管路试验中经常会出现封堵不严密的问题，一般是由于法兰部位的焊缝产生了焊接残余变形，使得法兰凹凸相接触的部位产生了较大间隙，影响了严密性。因此我们需要根据实际端部法兰的设计尺寸和形状，设计制造一套焊接防变形工装。在焊接时，在管路端部装配防变形工装，通过螺栓的紧固力使得法兰盘受到相反方向的应力和应变。

另外，我们也可以向设计部门提出优化法兰结构的办法，主要是让设计部门将环缝尽可能的远离法兰密封端面。

3结论

本文主要对工业低温管路试验技术进行研究，试验的科学性和合理性，直接影响介质输送的效率、安全性及外界环境。综合上述内容可提出两点结论：

1）工业管路的低温冷冲击试验按照先干管再支管的试验顺序，干管产品进行冷冲击时，一般采用倾斜内部灌注液氮法，如果干管的直径过大，采用上述方法会使得液氮体积过大，对倾斜的管体造成压力，并在极冷环境下产生变形，破坏管路。因此在进行超大直径干管冷冲击试验时，采用水平内部灌注液氮法。条件允许时，可采用自动化设备。

2）低温管路试验中经常会出现封堵不严密的问题，一般是由于法兰部位的焊缝产生了焊接残余变形，使得法兰凹凸相接触的部位产生了较大间隙，影响了严密性。改进的办法主要有两点，一是采用焊接防变形工装，二是更改设计方案，将焊缝区远离法兰密封部位。

参考文献

[1]张豪灿，何佳梦.影响工业管道试验的因素分析，焊接学报.2018年.第6期;

[2]王建荣，埋地工业气体长输管道的定量风险分析.山西化工.2018年.第1期：

[3]孟书生.输流管道自由振动特性分析系统.舰船科学技术.2018年，第8期：

[4]姚芒荣，郝玉峰.基于ANSYS的简体焊接温度场有限元数值模拟.机械工程与自动化.2006年6月，第3期。