阀门低温试验节能性研究

郭怀舟，吴怀昆，朱绍源，王志刚，高红彪

（1.合肥通用机械研究院有限公司，安徽 合肥 230088；2．中石化中原油建工程有限公司，河南 濮阳 457001）

随着空分、液化天然气、乙烯石化等工业的发展，低温阀门的市场需求逐年上升，应用领域也越来越广泛。低温阀门作为低温管道重要的控制元件，正在得到广泛运用，需求量逐年上升。由于其运行工况恶劣，作用关键，因此性能考核严格，其低温性能试验是生产与使用过程中的一道关键工序。目前，阀门低温性能试验所执行的标准主要是GB/T 24925-2010、BS 6364:1984、MESC SPE 77/200 2012、JB/T 12622-2016 等标准规定。从试验温度上主要分为两大类，一类以BS 6364为代表的标准要求试验温度为-196 ℃，用液氮作为试验冷媒；另一类以GB/T 24925为代表的标准要求试验温度为工况温度，用液氮和酒精的混合液作为试验冷媒。试验介质的选用原则是选取临界温度低于试验温度的气体，从安全和经济两方面考虑，都是选用的氦气或氮气作为试验介质。由于阀门低温试验的深冷环境主要是通过低温液体吸收汽化潜热的方式获得，而低温阀门的主体用材主要以304、304L、316、316L等Ni-Cr奥氏体不锈钢为主，其热容量大，需要换取大量的冷媒潜热，才能降温至试验温度。我国氦气市场价格昂贵，而大口径、高压力的阀门低温试验消耗的氦气量大。因此，减少液氮和氦气的消耗，能够直接节约试验费用，降低产品成本，提高产品在市场上的价格优势。

1 试验冷媒的消耗

阀门低温试验过程中，冷媒的消耗主要由以下几个部分组成：兑换金属件的显热G1；沿程管道1的漏热G2；低温储槽的漏热G3。其中沿程管道采用低温绝热管道，以辐射换热和内部对流换热为主要换热型式。低温储槽以外壁、槽盖、槽底与空气对流换热和辐射换热为主要换热型式。冷媒消耗模型如图1所示。

1.1 兑换金属件的显热

图1 冷媒消耗模型

液氮作为冷媒与金属件的换热消耗主要是液氮的汽化潜热换取金属件的显热。与液氮接触换热的部件主要是液氮输送管道及管道元件，低温储槽内胆、被测阀、工装。VALST低温阀门深冷试验装置中低温槽系列数据统计如表1所示。

表1 VALST低温槽系列相关数据

为了便于计算，将换热模型条件简化为与液氮直接接触的管道（不考虑保温措施）内、外壁温度一致，低温储槽液面以下内胆内、外壁温度一致，被测阀和工装都取整体质量。

换热公式为：

其中：m1为液氮消耗的质量，m2为输液管道质量，m3为液面下低温储内胆槽质量，m4为被测阀质量，m5为工装质量，C为金属件的比热容，T1为环境温度，T2为常压下的液氮温度。

1.2 沿程管道的漏热

低温试验装置冷媒的沿程管道采用低温绝热管道，VALST阀门低温试验装置采用低温绝热管道中的高真空绝热管道。环境通过辐射和对流换热两种方式将热量传递到高真空绝热管道的外表面，外表面通过热导和辐射换热两种方式将热量传递到高真空绝热管道的内表面。

在稳态情况下，根据低温传热学相关公式计算可得高真空绝热管道单位外表面积漏热量：

式中：q为高真空绝热管道单位外表面积漏热量；α为管道与环境之间的对流换热系数，W（m·K）；Th为环境温度，K；Tn为低温液体的温度，K；TW管道外表面温度，K；ε为管壁面的发射率；σb为波尔曼兹常数；Rλ为总的表观导热热阻。可见，降低真空管道内管外壁面和外管内壁面的表面发射率；降低管壁温度；减少真空夹层中的残留气体是降低真空绝热管道漏热的有效手段。

1.3 低温储槽的漏热

低温储槽的漏热由槽体外壁与空气的对流换热和辐射换热构成。取支撑结构漏热量为总漏热量的50%。假设环境温度T0=300K，空气相对湿度为80%，箱体外壁温度为此环境下的露点温度Td，外侧空气的计算定性温度Ta=（T0+Td)/2，可查得此温度下空气的物性参数Ka=0.02594W/（m·K）；νa=15.58×10-6m2/s、Pr=0.7158。箱体外壁、箱底、箱盖的综合换热系数公式如下：

其中L为特征长度，对于矩形，取两个边长的平均值。

总漏热为如下公式：

其中：A1为槽体四壁面积，A2为槽盖面积，A3为槽底面积。

可见，在低温储槽结构上利用“断桥”结构，阻断内胆与外壁的金属连接，填充高分子绝热材料，降低内胆与外壁的接触热阻，可以有效减小低温储槽的漏热。

2 试验介质的消耗

阀门低温试验用的增压介质以氦气为主，在做大口径、高压力的阀门低温试验时，氦气的消耗量大。根据理想气体状态方程有：

一满瓶氦气压力13MPa，水容积40L。阀门模型简化为直径取公称通径数值，长度取结构长度数值的圆筒结构，得到下式：

式中n为所需氦气的瓶数；Kv为补容系数，取1.3～1.6；Kp为补压系数，取1.18～1.63；P为试验压力（MPa）；D取阀门公称通径数值（mm）；L为阀门结构长度（mm）；T1为环境温度（K）；T2为试验温度（K）。

根据计算，PN150、DN600的低温球阀，进行一次低温试验需要消耗48瓶氦气，价值8万多人民币，试验成本太高。因此试验介质回收显得尤为重要，例如VALST低温阀门深冷试验装置具有氦气回收功能，回收率可达85%，在氦气消耗上大大节约了资源，降低了试验成本。

3 结语

通过对阀门低温试验中试验冷媒与试验介质消耗的分析，总结出消耗计算公式，并对阀门低温试验装置在节能方面提出了优化建议。

[1]朱绍源.低温阀门深冷试验装置设计[J].流体机械, 2009，(11):28-32.

[2]朱绍源.球阀的低温试验[J].流体机械,2012，(07):11-14.

[3]BS 6364:1984 Specification for Valves for cryogenic service[S].

[4]GB/T 24925-2010，低温阀门 技术条件[S].

[5]朱绍源.阀门低温试验装置的的节约型设计[J].机械设计与制造,2011,(7):245-247.

[6]聂宇宏,夏莉.辐射换热对高真空多层绝热管道漏热量计算的影响[J].广州航海学院学报, 2017,(2):27-29.

[7] 陈国邦,张鹏.低温绝热与传热技术[M].北京:科学出版社,2004.