焊接闸阀(「阀门精选论文」天然气管线全焊接球阀阀体水压爆破试验与监测)

Posted 2023-06-02

篇首语：学习知识要善于思考，思考，再思考。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了焊接闸阀(「阀门精选论文」天然气管线全焊接球阀阀体水压爆破试验与监测)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

焊接闸阀(「阀门精选论文」天然气管线全焊接球阀阀体水压爆破试验与监测)

张旭，许世法，王佳文（成都市武侯区环境监测站；成都成高阀门有限公司）

摘要介绍了天然气管道输送系统中承担启闭和调节功能阀门出现外漏的原因及对环境的影响。分析了管线阀门外漏失效模式及泄漏造成的危害，讨论了管线阀门泄漏的检测技术现状，设计了全焊接球阀阀体水压爆破试验及监测程序，并通过应变片监测得出阀门极限承载的能力，提出了天然气管道输送系统阀门监测的技术思路。

01 概述

天然气是一种优质、高效、清洁的低碳能源，提高天然气在一次能源中的消费比重对促进全球的节能减排具有重要意义。天然气在地理位置上分布不均匀的状况尤为突出，管道输送是天然气最经济有效的长途运输方式。长输管线经过的区域地理环境复杂，气候恶劣，环境温度变化范围大，城市天然气管网系统处于人口密集区。

管线阀门作为天然气管道关键设备具有截断和控制流量的重要作用。管线阀门设备出现泄漏不仅浪费能源同时会污染环境，并对人员造成危害。目前，大型天然气和城市管网采用全焊接阀体的球阀提高了阀门的承载能力，防止介质的外漏。为了避免阀体服役期间发生外漏事故，在设计制造阶段评估阀门承压能力显得尤为重要。

02 天然气泄漏量评估

天然气是以烃为主体的混合气体的统称，主要成分为甲烷（可燃气体）以及其他烃类。甲烷不溶于水、比空气轻，易燃、易爆。天然气的泄漏最为严重的是随风扩散，易形成爆炸性混合物，遇明火增加了火灾爆炸的环境风险，对周围大气环境和生态环境产生不利影响。天然气的爆炸极限较宽，爆炸下限较低，泄漏到空气中能形成爆炸性混合物，且燃烧速率很快，遇明火、高热极易燃烧爆炸，有可能瞬间产生高达3000℃的高温。在天然气管道输送工程的环境影响评价中，环境风险评价占很大比重。

天然气管道输送系统泄漏点主要来源于承压管道、启闭阀门的破裂点和密封部位。发生泄漏时，单位时间内的泄漏量主要取决于系统压力和泄漏点裂口面积。

天然气泄漏出的泄漏量Q可以采用Crane公式计算得出

03 阀门泄漏失效模式分析

长输管线天然气输送过程中，阀门是泄漏的主要源头之一。管线阀门的泄漏主要包括外漏和内漏，其中外漏介质会泄放到大气中产生危害，因此重点分析外漏的失效模式。

3.1 填料函和阀座密封外漏

阀门密封主要有阀杆填料和阀座密封。启闭时属于动密封，服役状态属于静密封。常见密封失效形式见表1所示。

3.2 阀体的外漏

全焊接球阀焊接阀体是通过特殊的焊接工艺形成，因此需要对该工艺下焊接接头的性能进行试验和理论评价以确定其安全性。全焊接球阀服役外部环境温度最低为-46℃，因此要求焊接接头在低温工况下必须具有良好抗脆断特性，在环境温度以及压力载荷作用下不发生断裂破坏行为。同时，从地下开采的天然气并非纯净的单一介质而是天然气混合物，其中包含硫化氢腐蚀性介质以及悬浮颗粒物等，腐蚀性介质的长期侵蚀容易在阀腔内部金属表面产生氢致裂纹和应力腐蚀开裂。无损检测手段的局限性容易漏检不容许的缺陷同时对微小缺陷无法检出。这些缺陷都会影响产品的安全性能，在极端载荷下这些缺陷很可能就会造成产品失效从而导致外漏事故的发生。

04 管线系统泄漏监测技术分析

基于安全考虑，管线系统对介质外漏等重大隐患从宏观上进行整体监测。

4.1 监测系统

系统的整体监测对阀门、法兰设备没有具体位置的监控。目前的检测方法和监测系统能够判断管道发生外漏，但很难准确定位泄漏点以及难于监测微泄漏和阀门内漏隐患。目前，主要的监测技术有光纤传感器、红外线成像、声学监测、流量和压力检测、超声波及其漏磁检测技术等。

（１）光纤传感器沿管线平行铺设传感器，采集温度、振动等信息。

（２）红外线成像设备监测气体泄漏形成的光谱。

（３）声学监测技术检测泄漏产生的负压波、应力波。

（４）流量或压力突变技术检测流量和压力突变。

（５）其他技术漏磁检测、超声波检测等。

4.2 监测过程

阀门在常开状态下等同于一段管道，如果发生大规模外漏能被现有的管线检测系统识别。而对于填料函、法兰的微泄漏以及内漏，现有的检测系统难于监测到。同时对于启闭卡阻等故障不在现有管线系统的检测能力范围内。由于管线阀门具有其分散性，如主干线每隔 40km设置一台截断阀，对于单个阀门配备红外线成像、音波监测设备等会导致产品制造和维护成本增加。对于站场，设备相对集中可以采取红外线整体监控。

05 阀体爆破模拟试验与评价

全焊接球阀阀体水压破坏性爆破试验是检验其承压、承载能力的有效手段，可以发现检测工艺没有识别的潜在的制造缺陷。通过记录材料应变随压力增加的曲线，获得材料工作时的实际力学性能，确认产品的极限承载能力，为产品制造提供设计规范。通过爆破试验的端口位置，确认承压容器的薄弱位置，并通过对爆破断口的特征分析验证材料的失效模式。

5.1 爆破试验方法

（１）爆破破坏过程

全焊接球阀阀体属于异形容器，其爆破失效过程与典型压力容器的爆破失效过程相似。图1表示承压容器随内压增加腔体体积的变化曲线。

图１加载压力与体积变化关系

对典型大厚壁全焊接球阀球阀阀体爆破失效过程主要为4个阶段。

第1阶段（OA）为弹性变形的阶段。阀腔体积的变化与压力成正比。到达A点时材料开始屈服，由于全焊接球阀阀体属于厚壁容器，因此屈服从内表面向外面扩展。

第2阶段（AC）为弹塑性变形阶段。该阶段属于弹性和塑性的混合阶段，内表面开始屈服而外表面有部分仍处于弹性变形阶段。此时，材料在AB端发生强化作用抑制材料的塑性变形趋势。该阶段阀体承压能力有所增加，因此随压力增加体积变化幅度不大。

第3阶段（CD）阶段为完全屈服塑性变形阶段直至爆破。该阶段材料完全屈服，阀腔体积急剧增加而压力下降，在D点破坏。爆破前所对应的最大压力，称为爆破压力。

对于脆性材料，没有AC阶段的变形阶段。同时含有缺陷的试样会在材料没有发生屈服的情况下发生断裂，此时只有弹性变形阶段而后续阶段并未出现。

（２）爆破试验方法

全焊接球阀在工作状态下处于全开状态，工作压力波动不大，属于静态压力容器，因此可以采用静态水压试验法开展爆破试验。同时，全焊接球阀属于异形压力容器，无法采用典型的筒形和球形容器压力爆破过程进行计算，因此选用有限元数值分析进行爆破初始压力的理论计算。

5.2 试验方案及流程

（１）爆破试验模拟件制备

爆破试验主要有实际产品抽样试验和模拟试件试样2种，爆破试验的实施尽可能采用实际产品。但是对于大型产品由于试验成本昂贵，同时实际操作无法满足试验条件，只能采用模拟试件进行试验。模拟试件的材料和结构、制造指标要与实际产品相符，达到用模拟件试验代表实际产品爆破试验的目的。采用相似原理确定试验阀门的模型尺寸，材料韧性随厚度增加会发生变化，主要体现在脆性转变温度升高，CTOD降低（韧性降低），屈服强度升高等。因为全焊接球阀属于大厚壁承压壳体，因此必须考虑其实际尺寸对试验结果的影响。

焊接接头的性能随着壁厚的增加不稳定性增加，根据ASME规定大于38mm的焊接接头需要进行热处理，试验模型壁厚大于38mm使焊接接头性能尽量与NPS56、class900大厚壁焊接接头接近。

除了规定的设计原则外，模拟件的材料和制造工艺完全与实际产品一致。考虑单台爆破试验不具有代表性，分别制造球形阀体和锥形阀体模拟试件各一台。阀门2端连接焊管，颈部和焊管端部由球形封头封闭。焊管球形封头上设置注水孔，颈部封头处设置放气孔，底部设置放水孔。最终设计2台模拟试件的产品尺寸如图2所示。

图２爆破试样

（2）试验设备

主要的试验设备为：①容器耐压试验系统（200MPa）。②压力变送器（0~250MPa，精度为0.25级）。③压力表（0~60MPa，精度为0.4级）。

（３）应变片布置方案

重点关注焊接接头应变情况，所以应变片沿主焊缝重点布置，而阀体布置较少。同时，在袖管布置应变片作为参考。球形阀体和锥形阀体应变片布置结果如图3所示。

图３阀体应变片

（４）试验过程

将应变测量仪和应变片连接，压力变送器安装在上堵头处。管道上安装观测压力表（图4）。将试件阀体放进爆破室，安装底部堵头。将上部放气孔堵头打开，从侧面堵头注水，当水从上部堵头溢出时停止注水，平稳加载压力。压力递增梯度为△P=2MPa，每一压力下保压并测量其应变值。

图４爆破试验

5.3 试验结果与评价

（１）压力与进水量曲线

由于锥形阀体爆破过程中发生堵头泄漏，未获得压力和进水量曲线。图5是球形阀体爆破压力与进水量曲线，球形阀体爆破前最终进水量为45L，爆破压力为49.3MPa。锥形阀体在加压的最后阶段，由于阀体变形而导致堵头泄漏。将堵头重新固定，再次加压至阀体爆破，爆破压力为50.5MPa，因此未获得压力与进水量的曲线。

图５球形阀体压力与进水量曲线关系

（２）应变测试数据

由于锥形阀体主焊缝应力状态更为复杂，仅对锥形阀体主焊缝三向应变片测得数据进行处理。通过三向应变片的实测数值计算该点的最大主应变位置和数值，分析焊接接头的承载能力。在全焊接球阀球体爆破前，主焊缝经历了弹性变形阶段和屈服阶段。

由于应变片布置较多，图6列出锥形阀体主焊缝3个关键测试点7、8、12的应力应变曲线。在40MPa=2.67P（P为工作压力，P=15MPa）压力下材料开始发生屈服，阀体发生屈服虽然还没有发生破坏，但是过大的屈服变形将使球阀失去启闭功能。因此，将材料开始发生屈服阶段的压力40MPa定义为使用压力上限，其实际安全系数为40/15=2.67，大于设计安全系数1.5。

图６压力与应变曲线

（３）断口位置及特征

由图7可知，断口位置位于管道纵焊缝上。此处为整个全焊接球阀的最薄弱环节，阀体主焊缝和颈部焊缝没有发生破裂，焊缝不存在不允许缺陷，微小缺陷在加压过程中未发生扩展开裂，证明焊接接头具有很好的抗裂韧性。

图７爆破断口特征

06 结语

经全焊接球阀阀体的爆破模式试验，其试验过程和数据表明阀体的焊接接头具有很好的韧性，锥形阀体爆破压力为49.5MPa，球形阀体爆破压力为50.5MPa，远高于设计强度压力15MPa。阀体薄弱部位在40MPa压力下开始屈服，全焊接阀体具有极强的承载能力，在低于极限载荷条件下运行具有较高的安全性。

下期论文：固液输送系统用闸阀磨损特性的分析与研究