阀门压力试验补压注水及夹持技术

2020-05-12徐维普刘小齐罗斌胡增洪

化工设备与管道 2020年1期

徐维普，刘小齐，罗斌，胡增洪

（1. 上海市特种设备监督检验技术研究院，上海 200333；2. 长庆油田技术监测中心，西安 710032； 3. 上海增欣机电科技股份有限公司，上海 201806）

金属阀门是一种承压部件，广泛应用于能源、化工、流体运输等领域，是我国持特种设备制造许可证数量最多的单一特种设备产品[1-2]。目前，我国已经发展成为世界上最大的金属阀门使用国和生产国，使用量达到了世界的40%以上，生产量更是达到一半以上。根据规定，金属阀门出厂时需要开展水压试验，在取得制造许可时也需要开展型式试验[2]，面对如此大量的金属阀门需求，压力试验机的生产需求也越来越大，同时对压力试验机的技术要求也随之提高。

在阀门检验过程中，由于阀门腔体内可能残留空气等原因，致使压力值会降低，当压力值低于标准试验压力时，只能进行手动补充水压，影响检验效率。保压过程中，如液压系统泄漏或其他因素造成的夹紧压力低于规定压力时，可能会导致密封面刺漏或阀门脱落，存在安全隐患。

1 补压原理

阀门压力试验装置通过试验介质的自动补压和阀门压紧机构自动补压两种方式可解决以上问题。

（1）自动补压原理

通过压力传感器对介质（水或者油）的压力进行实时采集，当检测到其压力低于某个设定阈值时，启动高压泵（水泵或油泵）对介质进行加压，直到压力达到设定阈值以上，从而实现压力的相对稳定。

（2）试验介质自动补压

阀门在强度压力试验时，试验介质压力和保压时间有明确的标准要求。由于被测阀门腔体内可能残留空气或管路系统密封不严，由此造成的压力下降影响到检测结果的准确性。

采用了这种“自动补压技术”以后，可以实时监测试验介质压力变化，实现自动控制水泵的启动或停止，以确保试验压力恒定。试验介质自动补压原理见图1。

图1 顶压式压力试验时阀体轴向应力分布Fig.1 Axial stress distribution of valve body during top pressure test

（3）夹紧装置自动补压

阀门在压力试验过程中，如果液压管路、管接头、控制阀等器件的微漏，会导致液压压力下降，致使夹紧力不够，存在安全隐患。采用“自动补压系统”能实时监测液压装置液压值的波动，自动控制高压油泵的启动或停止，以确保液压值恒定。

2 快速注水

试验设备在升压之前利用高压柱塞泵向阀门注满水，对大公称直径阀门注水时间长，检验效率低，特别在试验公称直径DN 300 以上的阀门，注水时间往往超过20 min 以上，检验效率低，设备损耗大，不能按时完成检验任务。

采用低压注水高压增压技术来解决大公称直径阀门检验中注水时间长、检验效率低的问题。

（1）低压注水高压增压技术原理

根据高压水泵流量小、低压水泵流量大的特点，先用低压、大流量的低压水泵在短时间内把阀门内腔注满水，再用高压、小流量的高压水泵进行增压，从而提高注水、加压的效率。

（2）低压注水高压增压控制模块实现方案

本控制模块包括低、高压水泵启动与停止单元，低压水电接点控制单元，电接点压力控制单元，保压报警单元。

3 动态平衡夹持

阀门在开始升压之前，油压调节不及时或调节误差较大时，阀体容易受到较大压应力，容易造成阀体变形甚至损坏阀门，或开口缺陷的自闭，影响检验结果准确性。

其试验过程应力分布见图1。

采用动态平衡阀门夹持技术来解决阀体受较大压应力而变形损坏的问题。

3.1 动态平衡夹持技术原理

通过压力传感器实时监测油压顶紧力和试验介质的水压，并控制油压总作用力（顶压力F2）和水压总作用力（总推力F1）按照设定的比值（该比值由用户按自身的工艺特点和要求设定，并有密钥管理权限控制），同步加压和同步卸压，使得作用在阀门上的净压力ΔF 控制在一个合理的范围内，避免被检阀门受到的挤压力过大而损坏，见图2。

图2 动态平衡加压系统工作原理Fig.2 Working principle of dynamic balance pressurization system

3.2 动态平衡阀门夹持技术实现方案

包括触摸屏、PLC 自动控制模块、压力信号监测模块、油压/水压加压装置组成。

计算机智能控制系统中的控制模块，根据被测阀门公称直径、压力自动控制油压顶紧力和试验介质压力。

该技术的功能是对油压总作用力（以下油压总作用力简称为油力）和试验介质总作用力（以下试验介质总作用力简称为水力），在进行加压和卸压时，进行同步自动控制，使油力与水力的比值始终控制在某一较小的范围内。

动态平衡阀门夹持控制原理主要通过以下步骤实现的：

（1）按常规的触摸屏系统操作，对被检阀门进行登录和常规设置，系统计算出：

试验加压的最终水力 F1=（D12×π/4）×P1；

（2）将系统的控制扭柄置为“手动”档；

（3）将被检阀吊装到位；

（4）启动顶压油缸将阀门顶紧（初始油压值为5 MPa，顶压力较小）；

（5）将触摸屏设置到自动控制画面，点击“加压控制开始”按键；

（6）启动低压水泵，排除阀门体腔中的空气，当空气排净后，将系统的控制扭柄置为“自动”档，此时系统将进入自动控制状态；

（7）在加压阶段，系统将进行以下逻辑控制：水压传感器和油压传感器采集的即时压强为P1'、P2'；计算即时水力F1'=（D12×π/4）×S1；计算即时的油力F2'=（D22×π/4）×S2；计算即时比值K'=F2'/F1'（系统要求任一时刻的K'应在K1～K2之间，即：在任一时刻应满足 K1≤K'≤K2）；按加压控制流程图进行自动控制，直至停止指令发出；

（8）在卸压阶段，系统逻辑控制与加压阶段同理。

动态平衡阀门夹持控制模块的界面要求：

① 显示触摸屏的“参数设置”中的一些阀门的基本参数；

② 用动画图形显示油加压、水加压、油卸压和水卸压的状态；

③ 显示即时水压、即时油压及油力水力比；

④ 设置“停止”按键。

采用动态平衡阀门夹持技术之后，加压前后的阀门压力试验应力基本一致，分布见图3。