LNG超低温球阀泄露测试及泄漏原因分析

【摘要】LNG超低温球阀泄漏分为两种，即外泄漏和内泄漏。在大多数情况下，外部泄漏所造成的后果，往往比内部泄漏更加严重。在工业生产中，阀门的外漏不但造成原材料及能源的浪费，还会直接污染环境，甚至引起火灾、爆炸、中毒等危害生命安全的重大事故，给国家和企业造成严重损失。本文就LNG超低温球阀泄漏测试选用标准、测试方法、验收标准、泄漏原因等进行详细要求和分析，并针对不同泄漏原因如何采取预防和解决措施进行了论述，希望能对超低温阀门采购、安装和使用过程中阀门泄漏问题发现和处理起到一定借鉴作用。

【关键词】微泄露；加长阀盖；渗漏；阀座；填料；

【概述】随我国经济快速发展，对能源需求和消费越来越大，我国已成为世界第一能源消费国。可是能源消费带来的环境问题也越来越受到大家的关注，尤其是大气中细颗粒物即PM2.5成为大家持续关注的话题，因此如何解决环境问题，解决大家关注的PM2.5超标问题，成为国家发展需要考虑的问题。LNG作为一种清洁、高效的能源，越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，LNG正以每年约12%的高速增长，成为全球增长最迅猛的能源行业之一。超低温球阀在LNG生产加工厂、LNG接收站、LNG加气站及LNG运输船上用量非常大，超低温球阀为全通径顶装式结构，阀门在全开启位置时无阻挡，内部通经符合API6D的规定。虽然阀体为一体式结构，相对于两片式或三片式阀门，减少了泄露机率，但是在阀门使用过程中还是发现了泄露问题，对企业安全生产非常大影响，所有阀门泄漏问题需引起企业管理人员及技术人员高度重视。

1.        超低温球阀泄露测试主要内容
超低温球阀泄露测试分常温测试和低温测试。球阀出厂前常温测试主要进行阀门壳体强度测试、壳体密封测试及上下游端阀座密封内泄露测试。低温测试分为内泄露和微泄露[1]测试，低温内泄露测试项目为球阀上下游端阀座密封测试，低温微泄露测试主要对阀体及阀杆、中道密封测试。

2.        泄露测试执行标准及如何使用标准
目前国内还没有制定国标或行业标准规定超低温阀门测试要求，国外LNG生产加工或使用大国，如日本、美国、欧洲各国都有自己的超低温球阀泄露测标准，各家标准区别较大，对于初接触超低温阀门的采购及检验人员，不是很清楚应该如何确定阀门泄露合格标准及正确的测试程序，现将国外各家LNG超低温球阀测试标准进行梳理。
(1).测试执行标准
EN12266-1:2003工业阀门通用试验
BS6363：低温阀门
MESC SEP77/200:低温介质阀门
MESC SEP77/312：微泄露试验
(2).标准正确使用
EN12266-1:2003：由CEN/TC96欧洲标准化委员会/工业阀门技术委员会，为统一工业阀门试验程序和验收准则而编制的，也可被用于型式试验和验收试验。本标准规定了阀门试验的强制性要求、试验过程和工业阀门产品试验的验收准则。超低温阀门常温测试程序及验收要求按照此标准执行。
BS6363：本英国标准是在机械工程标准委员会的指示下制定的，是较早的一个国家级标准。本标准规定了超低温阀门的设计、制造和试验要求。标准的第三章和附录A，对超低温阀门低温试验的步骤、方法及相关试验参加等进行了规定，是超低温阀门低温测试的最基本依据。
MESC SEP77/200:本标准是壳牌公司编制的低温和超低温阀门规范，适用于最低温度在-30℃～-196℃加长阀盖的低温阀门测试及验收。本规范对加长阀盖具体长度进行了细化，对检测前条件确认、阀门选择、测试仪器、测试人员资格、测试介质、测试温度及测试程序进行了细化，对阀门内泄露最大允许泄露率根据阀门类型和阀座类型不同进行了细化，见表1，所以建议超低温阀门内泄露（阀座泄露）测试前条件确认、阀门选择、测试仪器、测试人员资格、测试介质、测试温度及测试程序进行了细化测试程序及合格标准按此标准执行。
MESC SEP77/312：本标准是壳牌对ISO15848-2对修订和补充，规定了微泄露产品试验对要求（此规范不适用于内微泄露型式试验，微泄露型式试验应按MESC SEP77/300执行）。本规范对ISO15848-2中产品微泄露抽样比例、抽样方法、阀杆及阀体泄露合格标准、涂漆要求等进行了修订，并增加了微泄露测试压力、稳压时间、测试设备、测试人员资格、合格标准，统一了泄露率单位。经修订和补充后的此标准，对超低温球阀低温外泄露（微泄露）测试要求更加具体和严格，所以建议超低温球阀低温外泄露（微泄露）测试按此标准执行。
通过以上对4个标准分析和说明，明确了超低温阀门不同测试项目应遵照的依据。

3.        测试要求及验收标准
3.1．        常温测试
（1）阀门壳体强度测试
阀门壳体强度测试主要目的是测试阀门壳体有承受内压的能力测试过程比较简单，不在叙述，下面确定下测试压力及最短持续时间。
        测试介质：应选用液体
对于选用水做测试介质情况下，应严格控制水中氯离子含量，如何控制氯离子含量呢？根据TSG D0001-2009压力管道安全技术监察规程——工业管道第八十九条“当对奥氏体不锈钢管道或者对连有奥氏体不锈钢管道或者设备的管道进行液压试验时,水中氯离子含量不得超过0.005%”；工业金属管道工程施工规范（GB 50235-2010）第8.6.4 条液压试验应符合下列规定 “液压试验应使用洁净水，当对不锈钢、镍及镍合金管道，或对连有不锈钢、镍及镍合金管道或设备的管道进行试验时，水中氯离子含量不得超过 25×10￣6（25ppm）”。
        测试压力：室温下许用压力的1.5倍或设计压力的1.5倍
        最短持续时间：见表1.壳体试验最短持续时间
表1.壳体试验最短持续时间
阀门公称尺寸        最短持续时间
        产品试验及验收试验（s）        型式试验（min）
≤DN50        15        10
DN65～DN200        60        10
≥DN250        180        10
        验收标准：阀门壳体外表面不允许任何可见的外泄漏。
（2）阀门壳体密封测试
壳体密封测试主要目的是确保在内压作业下，壳体以及操作机构处的密封有效，测试介质选用液体或气体。
        测试介质：选用液体或气体
        测试压力：参见阀门壳体强度测试压力
        压力持续时间：参加阀门壳体试验最短持续时间
        验收标准：测试介质为液体时，参见阀门壳体强度测试验收标准；测试介质为气体时，当阀门浸泡在水中时，水面无可见气泡生产，当阀门外表涂一层检测剂时无连续气泡产生。
（3）上下游阀座密封测试
上下游阀座密封测试主要目的是测试阀座在常温下密封能力能否满足规定的泄漏量。
        测试介质：建议选用氮气
        最大测试压力：最大测试压力为室温下许用压力的1.1倍或设计压力的1.1倍
        压力持续时间：见表2.阀座密封试验最短持续时间
表2.阀座密封试验最短持续时间
阀门公称尺寸        最短持续时间（氮气介质）
        产品试验及验收试验（s）        型式试验（min）
        金属密封阀座        软密封阀座        所有阀门
≤DN50        15        15        10
DN65～DN200        15        15        10
DN250～DN450        30        30        10
≥DN250        30        60        10
        测试步骤
第一步：阀门半开，冲入0.2MPa的氮气，关闭阀门并测量扭矩，保压（最短时间按照表2执行），测量泄漏量完成后测试半开和开启扭矩；
第二步：阀门半开，充入35%最大测试压力的氮气，关闭阀门，保压（同第一步要求），测量泄漏量；
第三步：阀门半开，充入70%最大测试压力氮气，关闭阀门，保压（同第一步要求），测量泄漏量；
第四步： 阀门半开，充入最大测试压力的氮气，关闭阀门并测量扭矩，保压（同第一步要求），测量泄漏量完成后测试半开和开启扭矩；
第五步： 对于双向阀门，在另一侧重复以上步骤。
        验收标准：在规定的测试时间内测得的泄漏率必须规定的泄漏率，规定的泄漏率见表3.不同等级泄漏率的最大允许泄漏量（mm3/s）
表3.不同等级泄漏率的最大允许泄漏量（mm3/s）
介质        泄漏率A        泄漏率B        泄漏率C        泄漏率D        ……
氮气        在试验持续时间内无可见泄漏        0.3×DN        3.0×DN        30×DN        ……
        测量工具：量筒或量杯
3.2．        低温测试
（1）上下游端阀座密封测试
低温下上下游阀座密封测试主要目的是测试阀座在超低温（-196℃）下密封能力能否满足规定的泄漏，是检验阀门性能的关键步骤。
        测试介质：介质为氦气，冷冻剂选用液氮
        最大测试压力：参见常温上下游阀座密封测试压力
        漏量检测工具：量筒或量杯
        压力持续时间：详见测试程序。
        测试步骤：














图1.低温测试示装置意图

首先将阀门和测试装置[2]（测试装置见图1. 低温测试示装置意图）连接，然后将阀门放入指定的冷剂试验槽中，要求将阀体和阀盖的连接法兰完全浸入该试验槽，并确保填料函的阀杆密封位置不受冷蒸发气的影响。在冷却操作过程中，阀腔内氦气压力应维持在0.5MPa，防止湿气浸入阀腔，阀门保持全开状态。
第一步：将阀门内腔通入0.5MPa的氦气，通过液氮喷淋的速度来控制温度达到阀门的测试温度；
第二步：达到测试温度之后，阀门保温60min，稳定阀门各个部位的温度；
第一步：阀门半开，冲入0.2MPa的氦气，循环5次后关闭阀门测量阀门的关闭扭矩，保压5mins，测量泄漏量完成后，测试开启、半开扭矩；
第三步：循环5次并阀门半开，压力增量要求分步骤充入数据表规定压力值的氦气，每个增量稳定10分钟(压力增量值见表4. 压力增量表)。
在每个压力增量下，测量阀座泄漏量并记录。
第四步：当达到数据表规定的压力时，关闭阀门并测量扭矩，保压10min，测量泄漏量完成后开启阀门测试半开、开启扭矩；
第五步：完成高压阀座试验后，用数据表规定的压力值冲击阀座5次（达到规定的压力下开启阀门），测量并记录开启和关闭时的扭矩
第六步：对于双向阀门，在另一侧重复以上步骤。
        验收标准：参见表3.不同等级泄漏率的最大允许泄漏量
表4. 压力增量表
公称压力（PN）        增量（巴）
20        3.5
50        7.5
64        10.0
100        20.

（2）低温微泄漏测试
低温微泄漏测试是对阀杆处密封测试及中道密封测试等，主要是测试阀门在低温下外泄漏率是否满足规定要求。微泄漏测试步骤比较简单不在叙述。
测试介质：介质为氦气
测试压力：见表5. 微泄漏等级B阀门可选试验压力
表5. 微泄漏等级B阀门可选试验压力
微泄漏等级B阀门可选试验压力
ASME压力等级        测试压力bar（psi）        接受标准
150        6（87）        按照表1和表2的泄漏等级A（HS）
300        18（261）       
600        33（479）       
900        50（725）       
1500        63（914）       
2500        130（1885）       

测试工具：氦质谱仪
验收标准：阀杆密封泄漏率允许值见见表6.最大阀杆密封泄漏率；阀体密封泄漏率允许最大值见表7.最大阀体密封泄漏率，中道密封泄漏率按照表7.执行。
表6. 最大阀杆密封泄漏率
微泄漏等级        最大阀杆密封泄漏率
        atm•cm3/s        Pa•m3/s
A(HS)        1.76×10-7        1.78×10-8
B        1.76×10-6        1.78×10-7
表7. 最大阀体密封泄漏率
微泄漏等级        最大阀体密封泄漏率
        atm•cm3/s        Pa•m3/s
A(HS)        1.76×10-8        1.78×10-9
B        1.76×10-7        1.78×10-8

4.        超低温球阀外泄漏原因分析及采取措施
超低温球阀外泄漏主要部位为阀门本体泄漏和阀体与阀杆、压盖等密封部位泄漏（即阀杆与中道密封部位）。对于铸造阀门本体，容易形成砂眼等铸造缺陷，阀体上的砂眼会导致介质的泄漏，这种泄漏一般都表现为渗漏，通过采用无损检测及水压试验等方法能够发现，对于有砂眼的铸件不再使用，阀门本体泄漏原因比较容易发现和解决。下面主要针对加长阀盖、中法兰、底盖等结合部位泄漏的原因及采取的措施进行分析。
4.1．        泄漏原因
加长阀盖、中法兰、底盖等结合部位泄漏主要是设计及阀门装配造成的，受阀门运输、施工安装等因素影响不大，本文主要针对阀门设计及装配原因进行分析。
1)        由于非金属密封垫片在低温下的物理性能发生变化，如垫片体积变小或回弹性变小等，导致垫片与体之间的密封比压下降，甚至出现间隙，导致密封失效；  
2)        常温装配时作用在密封垫片上的初始密封比压较小，且从结构设计上没有考虑补偿或保持在低温下密封垫片足够的密封比压；  
3)        PCTFE密封材料在超低温介质下，划伤未提高表面硬度的阀杆表面，造成泄漏。
4.2．        采取措施
1)        在螺母下增加一对防松碟簧，可以补偿由于各种原因引起的变形；   
2)        螺母的旋紧力矩应该控制在其许可力矩范围的中偏上；
3)        阀杆表面采用镀铬处理或进行氮化和镀镍磷处理，以提高表面硬度；还可以采用热喷涂工艺，表面喷涂钼、STL等耐磨、耐腐蚀合金； 为防止螺母与螺栓咬死，螺母一般采用Mo钢或Ni钢，同时在螺纹表面涂二硫化钼。

5.        超低温球阀内泄漏原因分析及采取措施
阀门关闭不严形成的泄漏为内漏，常发生在阀座密封面。
5.1．        泄漏原因
阀门内泄漏原因比较复杂，从阀门设计结构、密封材料选用、装配、运输、安装及清管试压等各方面都可能造成阀门内泄漏。
1)        球体加工圆度超标无法密封，或球体表面加工光洁度超标，在开关阀门时，损伤阀座接触面，导致阀门内泄漏；
2)        由于阀座在低温下的物理性能发生变化（如体积变小，变硬变脆和材料弹性变差等），导致阀座在低温下与球体不能保持完全吻合，从而导致泄漏超差；
3)        提供初始密封的弹簧力偏小，导致泄漏超差；
4)        在阀门运输过程中阀体受碰撞，造成密封面受损或变形，导致密封面泄漏；
5)        安装过程中管线内部进入杂物过多，吹扫时在阀门处积聚，造成阀门闭关不严或密封面受损，发生泄漏；
6)        管线水压试验后，阀腔内积水未能排净，在管线预冷过程中，阀门受冷结冰，造成关闭不严，发生泄漏。
5.2．        采取措施
1)        所有密封要求的面的粗糙度均要求在普通阀门要求的基础上再提高 2到3个等级，所采取的方式有，提高加工精度、抛光、研磨等；
2)        为了尽可能降低阀座在低温环境下的变形，阀座设计应该尽可能的被嵌在金属支撑圈内，凸出部分及密封面应尽可能降低且与支撑圈以弧面或斜面进行过渡；
3)        阀座密封面的宽度在保证相互接触部件不受损的前提条件下，减小宽度，以提高密封面的密封比压，减少泄漏量；
4)        编制阀门包装和运输措施，采用专业配送车辆运输；
5)        在管线安装过程中，要求施工人员对每根管材内部洁净度检查，安装后，对管线内杂质进行及时清理，并对管口进行保护，防止外界杂质进入；
6)        管线压力试验尽量选用气体介质，对于无法避免选用水做介质的情况下，首先要使用氯离子含量不超过25PPM的清质淡水，在管线吹扫阶段，打开每台阀门的排污口，阀体上缠电伴热带（温度一般控制在105℃，针对不同厂家密封材料特性，电伴热带控制温度会略有不同），蒸发阀腔内液态水，并对每台阀门露点温度进行测试（要求露点温度达到-40℃以下）。

6.        结束语
由于LNG分子量小，粘度低，穿透性强，非常容易泄露，且具有易燃易爆的特性，所有在阀门设计过程中要提出更高要求，要求LNG超低温阀门允许泄漏率至少为B级及以上。为解决LNG超低温球阀泄漏问题，要从设计、选材、加工、装配、测试、包装运输、现场安装、管线整体试压及吹扫等各个环节进行管控，加强过程监督和审查，尤其是在原材料复检、焊缝固溶处理、阀门零件深冷处理及PCTFE和唇式密封件选用等环节要特别关注和加以规定。
参考文献
[1]MESC SEP77/312-2007，微泄露试验[S]：荷兰，壳牌公司，2007
[2]MESC SEP77/200-2007，低温介质阀门[S]：荷兰，壳牌公司，2007

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