LNG固定球阀测试详解及改进

吴孔燕 蔡毅 刘智 叶志强 张智博

【摘要】LNG球阀需对液态天然气和伴有气化后的天然气进行密封，故LNG球阀验收必须进行常温测试和低温测试。实际测试中常温测试和低温测试执行标准不同，存有设备不通用、工序繁多、二次污染、前后性能指标关联性不强等问题，造成实际生产效率不高、试验一次合格率低下、成本高。通过对测试目的分析，作出三点改进：氮气取代水和空气、合并测试设备、调整泄压参数。常温采用氮气作为试验介质完全解决了积水结冰破坏阀门的情况，合并测试设备减少人工成本和测试时间，压差式自泄压节省了宝贵的氦气。改进后测试程序科学合理，产品质量更加稳定，适用于工业化大规模生产。

【关键词】LNG球阀；低温测试；SPE；DPE；自泄压

【DOI编码】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.039

Detailed Explanation and Improvement of LNG Fixed Ball Valve Test

WU Kongyan1，CAI Yi2*，LIU Zhi2，YE Zhiqiang2，ZHANG Zhibo2

（1.Jiangmen Xinhui Special Sealing Technology Co.，Ltd.，Jiangmen 529080，China；2.Special Technology Valve Group Co.，Ltd.，Wenzhou 325103，China）

Abstract：LNG ball valve needs to seal the liquid natural gas and the natural gas after gasification，so the acceptance of LNG ball valve must be subject to normal temperature test and low temperature test. In the actual test，the implementation standards of normal temperature test and low temperature test are different，and there are problems such as the equipment is not universal，the process is numerous，the secondary pollution，and the correlation between the performance indicators before and after the test is not strong，resulting in the actual production efficiency is not high，the first pass rate of the test is low，and the cost is high. Through the analysis of the test purpose，three improvements were made：nitrogen replacing water and air，merging the test equipment，and adjusting the pressure relief parameters. Nitrogen is used as the test medium at normal temperature to completely solve the problem of water and ice damage to the valve. The combination of test equipment reduces the labor cost and test time，and the differential pressure self-relief saves valuable helium. The improved test procedure is scientific and reasonable，and the product quality is more stable，which is suitable for industrial mass production.

Key words：LNG ball valve；low temperature test；SPE；DPE；self-relief

我國是世界天然气第一进口大国，截取2020年数据，天然气年进口总量为7880万吨，其中LNG约占进口总量的33.5%。当前我国LNG储备能力严重不足，在此背景下国家开始大规模建设储气库。LNG固定球阀以其流量系数大、密封性能优良、安全系数高、启闭迅速、扭矩小、自动化灵敏等诸多优点，在储气库系统中广泛应用，其约占系统阀门总需求的75%。LNG固定球阀阀座多采用SPE+DPE模式[1]，因其工况和结构的特殊性，其测试过程烦琐，测试介质容易造成阀腔二次污染。准确解读标准含义，充分理解工作原理，选择适合的测试方案，提高工业化生产效率非常必要。

1LNG固定球阀结构

LNG固定球阀密封特点：在球阀关闭状态，LNG因温度变化将导致阀门中腔气化体积剧烈膨胀，如无法及时排出或者排出方向错误都易产生爆燃事故。为了保证安全，结构上通常采用SPE+DPE模式。中腔压力异常升高，SPE端阀座自动脱离球体，介质向上游泄压。DPE端借助中腔压力更加趋近球体，密封比压进一步提高，可有效阻止介质向下游泄漏，避免事故扩大。SPE+DPE的组合模式安全性和经济性突出，在LNG行业被广泛采用[2]。

2常温测试

试验项目整理后如下：

1）壳体水压试验：钢制阀门壳体试验压力为38℃时最大允许工作压力的1.5倍，试压压力值应该加大圆整到临近0.1 Mpa，查询GB/T 12224—2015《钢制阀门一般要求》标准，F304在-29℃到38℃之间Class150的压力-温度额定值为1.90 Mpa。则常温壳体试验压力为2.85 Mpa，向上圆整后为2.9 Mpa。在放空阀位置排净气体后内腔注水加压到2.9 Mpa，查看壳体及连接处密封是否有效。2）阀前高压水密封试验：球阀的高压密封试验压力为38℃时最大允许工作压力的1.1倍，则常温高压密封试验压力为2.09 Mpa，向上圆整后为2.1 Mpa。阀门半开并向阀腔内注满水，阀门关闭后从一端加压至2.1 Mpa，从主阀体上放空阀处检漏。一端试验完成后重复步骤试验另一端。3）DPE端阀后高压水密封试验：阀门半开并向阀腔内注满水，加压至2.1 Mpa后关闭阀门，卸去DPE端通道全部压力，排空通道观察密封面是否泄漏。4）低压气密封试验：低压密封试验压力为0.4～0.6 Mpa。阀门关闭后从一端加入0.4～0.6 Mpa空气，从放空阀处检漏。5）SPE端阀座泄压试验：具有自泄压功能的阀座，应在中腔压力不超过1.33倍的情况下泄压。阀体上放空阀处安装压力表，阀门半开向通道内注满水后加压至2.52 Mpa关闭阀门。将通道内的压力泄压至1.9 Mpa，查看主阀体上的压力表数据，数值低于2.52 Mpa，则泄压试验合格。常温试验结束后高温氮气烘干，不得残留水渍[3]。

3低温测试

试验步骤如下：

1）吹扫阀门内腔排出空气。阀腔中的空气带有水分，低温结冰从而影响阀门性能。打开截止阀2和截止阀3，接通截止阀1和气瓶开关1，通入0.2 Mpa的氦气连续吹扫阀门内腔。排完空气后关闭截止阀2和截止阀3，再关闭截止阀1。将吹扫气体劫持在阀内，阀门操作至关闭位置。2）将阀门浸入液氮池中，液面高度需满足阀门冷却到-196℃，扣除液氮挥发量后，液面依旧能淹没过连接长颈阀盖与主阀体的紧固件上端面。阀门冷却至-196℃后继续保冷不少于1小时。阀门在常温下注入的0.2 Mpa氦气在低温下收缩，压力会逐渐降低，阀门半开放入氦气升压至0.2 MPa。阀门循环开关5次后关闭阀门并打开截止阀3，排出中腔多余氦气。压力稳定后将接头3与量杯连通，量杯收集泄漏量。3）高压气体试验应该注意气体试验的危险性[4]，试验时应从较低压力开始，并按测试压力增量逐渐增加压力，直到达到最大允许测试值。查询GB/T 24925—2019《低温阀门技术条件》标准，阀门冷态度工作压力为1.9 Mpa，测试增量为0.4 Mpa，升压过程需要4次加压，记录每次加压的泄漏量。相同的步骤测试另一端。4）DPE阀座阀后密封试验，方法同常温为测试方法，只是试压过程需要逐次增压。5）SPE阀座泄压试验：接头3处安装压力表，截止阀3打开。阀门半开向通道内注氦气并加压至2.52 Mpa后关闭阀门。将两端通道泄压至1.9 Mpa，查看主阀体上的压力表数据，数值低于2.52 Mpa则泄压试验合格。6）低温壳体密封试验：关闭截止阀2和截止阀3，半开阀门注入氦气并加压至1.9 Mpa，检查阀杆与填料、主阀体和副阀体、主阀体与长颈阀盖、主阀体与固定轴之间的密封性能。有逸散性要求的按规定检查对应密封性。

4关于LNG球阀测试的总结

4.1测试设备与场地

常温和低温试验的场地不同、人员不同、设备不同，导致流程多、流转时间长、工序烦琐。

4.2测试介质

常温时高压密封试压介质为水，低温时高压密封试验介质为氦气。介质水在同等条件下穿透能力远弱于氦气，即常温下水压不漏并不代表气压不会漏。实践证明常温下气压漏，则低温下一定漏且泄漏量非常容易超标。

4.3水渍结冰

水压测试后阀座蓄能圈和阀体之间的环形区域内会有水渍残留，低温下水渍结冰导致阀座活塞运动失效阀门泄漏。虽然客戶可通过高温氮气烘干来消除水渍，但阀门生产企业却不具备这样的条件，水压试验后的阀门存在严重隐患。

4.4二次污染

阀门生产企业的常温试压设备通过外购实现，试验设备多为碳钢零件构成，工作过程中本身需要润滑系统和防锈处理，润系油脂和防锈油容易经管路由介质水带入阀门导致清洁度不合格。试压用水一般为自来水，由于自来水中加入了漂白粉的缘故，水中氯离子偏高容易造成阀门表面点腐蚀。

4.5SPE的阀座低温泄压试验

标准规定泄放压力不大于额定值的1.33倍。阅读标准全文，低温下没有关于壳体强度试验的要求，高压试验压力也从1.1倍降低为1倍。标准基于安全的考虑取消了低温壳体强度，降低了密封压力，标准第（d）条阀门外漏试验也只升压到标准额定值。那么，让中腔允许最高升压到1.33倍是不够安全的。

5优化改进

针对性优化：取消常温设备的使用，低温和常温测试设备合并；常温下采用1.1倍氮气取代1.5倍水压壳体试验，其他试验压力不变，试验介质由氮气替代水和空气；常温和低温的SPE自泄压试验由1.33倍压力调整为0.33倍压差试验。

推荐的测试方案如图1所示。

5.1常温壳体密封试验

将阀门两端如上图所示连接。阀门半开关闭截止阀2和截止阀3，打开气瓶开关1和截止阀1向阀门内注入氮气并缓慢升压力至2.1 Mpa后关闭气瓶开关1。查看阀门与工装之间、阀门零部件之间密封状况。密封合格则打开截止阀3排出阀内氮气。

5.2常温高压和低压密封试验

关闭阀门，截止阀3保持开启。打开截止阀1和气瓶开关1向阀门内注入氮气缓慢升压力至2.1 Mpa，压力稳定后从接头3检查密封状况。高压密封试验完成后降压至0.6 Mpa，从接头3检查低压密封状况。同理完成另一端高低压密封测试。

5.3常温双截断与排放试验

关闭阀门，截止阀3保持开启。打开截止阀1和气瓶快关1；打开截止阀2和气瓶快关2，分别向阀门内注入氮气并缓慢升压力至1倍额定值。压力稳定后从接头3检查密封状况。

5.4DPE阀座常温阀后密封试验

关闭阀门、关闭截止阀1，打开截止阀2。将截止阀3与气瓶开关3接通，向阀门中腔内注入氮气，缓慢升压力至2.1 Mpa。压力稳定后从接头2检查密封状况。

5.5SPE阀座常温自泄压试验

关闭阀门，打开截止阀1确保上游排空。将截止阀3与气瓶开关3接通，向閥门中腔注入氮气并缓慢升压力至不超过0.33倍额定值（0.627 Mpa）的过程中从接头1检查密封状况。

常温试验完成后，吹尽阀门和工装表面水渍。工装保持不变，将氮气瓶更换为氦气瓶，传感器与控制系统相连，接头根据需要与量杯相连，水池更换为液氮池。低温SPE试验如上采用不超过0.33倍额定值泄压法，其他低温试验程序步骤保持不变。

6结语

按优化改进后的试验方法执行，经工厂实际生产大规模应用后科学统计，以4″Q647F-150LB球阀举例：测试时间由3.5小时缩短到2.8小时；泄压试验中氦气成本从318元降低为121元；产品一次合格率从78%提升至92%。标准是对一个产品种类大的概括，具体到一些细分领域，需要根据情况优化调整。根据实际工况，在充分的技术交流后优化了测试方案，简化了测试程序。既保证了质量又缩短了测试周期，节省了成本，提高了阀门的合格率，促进了工业化大规模生产。

【参考文献】

[1]吴军.DBB与DIB型固定球阀的密封结构与方向性分析[J].化工设备与管道，2016，53（5）：77-82.

[2]赵龙龙，张翼，李靖，等.LNG用超低温球阀中腔泄压规律的试验[J].石油和化工设备，2020，23（7）：81-83.

[3]王海林.沙特阿美公司进行管道清管测径试压干燥的方法[J].石油工程建设，2012，38（3）：60-62.

[4]周兆明，万夫.气密封高压试验爆炸模拟分析[J].重庆理工大学学报（自然科学版），2013，27（9）：106-109.

【作者简介】

吴孔燕，女，1986年出生，工程师，研究方向为密封系统。

通讯作者：蔡毅，男，1985年出生，工程师，研究方向为阀门设计，电子邮箱：caiyilianyi@163.com。

（编辑：李钰双）