介紹了管線球閥環(huán)境模擬試驗(yàn)的重要性、試驗(yàn)溫度的確定、試驗(yàn)裝置的建造以及試驗(yàn)流程。管線球閥通過高溫和低溫環(huán)境模擬試驗(yàn)與分析，可以得出環(huán)境模擬試驗(yàn)對(duì)于管道的重要意義，建議作為管線球閥出廠驗(yàn)收項(xiàng)目之一。

一、前言

　　在長(zhǎng)輸管線建設(shè)中，管線球閥所處的環(huán)境變化多端。從北極圈到赤道，從高山到海底，從高原到沙漠，穿越地震帶、沼澤地、江河、湖泊和山坡等。有的懸空架設(shè)、也有直埋地下，在野外遠(yuǎn)距離遙控操作，維修起來異常困難，因此管線球閥要求具有安全、可靠、長(zhǎng)周期、無故障運(yùn)行，一般免維護(hù)壽命不低于30年。產(chǎn)品從生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸、裝卸及貯存到使用的過程中需經(jīng)歷各種復(fù)雜的自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境。1971年，美國(guó)對(duì)機(jī)載電子設(shè)備全年的故障進(jìn)行剖析，50%以上的故障是由各種環(huán)境引起的，溫度(高低溫)、濕度、振動(dòng)三項(xiàng)環(huán)境造成電子設(shè)備43.58%的故障率，其中溫度引起的故障占22.2%，由此可見環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行可靠性影響之大。目前，在低溫環(huán)境下工作的管線球閥標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)閥體、球體、閥座等材料低溫沖擊韌度提出要求，并不能驗(yàn)證低溫環(huán)境下的密封、動(dòng)作和力矩變化等綜合性能。因此，需對(duì)管線球閥在高溫和低溫環(huán)境溫度下的適應(yīng)性進(jìn)行深入分析，并建造環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要目的如下。

　　1)在高溫和低溫環(huán)境溫度的作用下，驗(yàn)證管線球閥動(dòng)作的可靠性和密封性能。

　　2)在高溫和低溫環(huán)境溫度的作用下，驗(yàn)證管線球閥的力矩是否發(fā)生大的變化。

　　3)作為管線球閥型式試驗(yàn)項(xiàng)目之一，探索是否作為管線球閥驗(yàn)收項(xiàng)目。

二、環(huán)境模擬試驗(yàn)

　　1、環(huán)境模擬試驗(yàn)溫度的確定管線球閥在服役過程中，影響環(huán)境溫度變化的因素如下：

　　1)由地理位置引起的環(huán)境溫度變化。世界干熱氣候區(qū)的工作溫度為32～49℃，誘發(fā)溫度為33～71℃;極冷氣候區(qū)的工作溫度為-51℃以下。

　　2)由季節(jié)引起的環(huán)境溫度變化。由于地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)呈周期性變化，出現(xiàn)春、夏、秋、冬的循環(huán)。由于這種溫度變化是比較緩慢的，它對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生一定的溫度效應(yīng)。

　　3)由日夜引起的環(huán)境溫度變化。美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-810D中給出的熱氣候區(qū)高溫日循環(huán)溫度表中，工作最高溫度49℃出現(xiàn)在16：00，誘發(fā)最高溫度71℃出現(xiàn)在15：00。由于這種溫度變化是比較大的，它對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生較大的溫度效應(yīng)。

　　管線球閥所處的環(huán)境溫度一般從低溫-46℃到高溫85℃，閥體材料選用ASTM A350 LF2或ASTM A516Grade 70，最低使用溫度為-46℃。在-51℃以下的極冷(C3)氣候區(qū)建造管道的可能性很低，因此將環(huán)境模擬試驗(yàn)溫度確定為-50～93℃，可滿足管線球閥所處環(huán)境溫度-46～85℃的試驗(yàn)要求。

　　2、環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置的建造

　　美國(guó)在阿拉斯加原油管線建設(shè)時(shí)，為了試驗(yàn)閘閥的性能，特地在費(fèi)爾班克斯地區(qū)，在線路走向設(shè)計(jì)閥門的位置上結(jié)合永久工程架設(shè)了150in(1in=0.025 4m)的試驗(yàn)段，并安裝了一個(gè)截?cái)嚅y，所有架設(shè)方法都與后續(xù)施工完全相同。這一設(shè)施是專門為考驗(yàn)閥門是否能度過北極的冬季，這是管線閥門環(huán)境模試驗(yàn)裝置的雛型。

　　環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由壓力提供系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、環(huán)境模擬倉(cāng)、測(cè)試升降臺(tái)架、溫度傳感器、試驗(yàn)閥門和力矩測(cè)量裝置組成。壓力提供系統(tǒng)最高壓力為70MPa，試驗(yàn)介質(zhì)為高壓氮?dú)狻��?shù)據(jù)處理系統(tǒng)可將環(huán)境模擬倉(cāng)的控制系統(tǒng)、溫度傳感器數(shù)據(jù)接收后，采用專用測(cè)試分析軟件進(jìn)行分析，最終以圖表的形式顯示測(cè)試結(jié)果。環(huán)境模擬倉(cāng)由箱體、空氣調(diào)節(jié)裝置、控制系統(tǒng)和導(dǎo)軌組成。箱體的容積為150m3，高度為5m。空氣調(diào)節(jié)裝置主要由制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和離心送風(fēng)機(jī)組成，可滿足-50～93℃試驗(yàn)溫度要求。控制系統(tǒng)包括溫度傳感器和控制器，控制器采用平衡調(diào)溫的控制方式。導(dǎo)軌可承重60t，試驗(yàn)閥門安裝在測(cè)試升降臺(tái)架通過導(dǎo)軌可方便進(jìn)出環(huán)境模擬倉(cāng)。測(cè)試升降臺(tái)架的雙作用液壓缸用于調(diào)整測(cè)試閥門的高度，單個(gè)雙作用液壓缸最大拉力為2 500kN。溫度傳感器安裝于試驗(yàn)閥門的底部、中部和上部，用于測(cè)量試驗(yàn)閥門試驗(yàn)時(shí)低溫和高溫的溫度，測(cè)試結(jié)果通過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析。由于試驗(yàn)介質(zhì)為高壓氮?dú)猓瑸楸ＷC試驗(yàn)的安全性，試驗(yàn)閥門兩端焊接球形封頭。通過壓力提供系統(tǒng)可對(duì)試驗(yàn)閥門在常溫、高溫和低溫不同溫度下進(jìn)行密封性能測(cè)試和分析比較。力矩測(cè)量裝置用于試驗(yàn)閥門在常溫、高溫和低溫不同溫度下的開關(guān)力矩，力矩測(cè)量裝置可根據(jù)測(cè)試管線球閥規(guī)格不同進(jìn)行配置。

　　3、環(huán)境模擬試驗(yàn)流程

　　管線球閥環(huán)境模擬試驗(yàn)前，需進(jìn)行超聲波清洗和脫脂，因?yàn)橛椭�和水分�?46℃的低溫環(huán)境下會(huì)變成堅(jiān)硬的固態(tài)物質(zhì)，造成閥門結(jié)構(gòu)損傷。NPS48 Class900全焊接管線球閥高溫和低溫環(huán)境模擬溫度試驗(yàn)如2所示。環(huán)境模擬試驗(yàn)流程如下：

　　1)常溫性能試驗(yàn)及力矩測(cè)量。

　　2)加溫至85℃并全壓差開關(guān)50次。

　　3)高溫性能試驗(yàn)及力矩測(cè)量。

　　4)降至常溫并全壓差開關(guān)50次。

　　5)降溫至-46℃并全壓差開關(guān)50次。

　　6)低溫性能試驗(yàn)及力矩測(cè)量。

　　7)升至常溫。

　　8)常溫第二次性能試驗(yàn)及力矩測(cè)量。

　　9)數(shù)據(jù)分析。

四、結(jié)語

　　管線球閥通過高溫和低溫環(huán)境模擬試驗(yàn)與分析，可以得出以下結(jié)論：

　　1)高溫和低溫的環(huán)境模擬溫度對(duì)管線球閥的密封性能影響不明顯。

　　2)高溫和低溫的環(huán)境模擬溫度對(duì)管線球閥動(dòng)作性能無顯著影響。

　　3)在低溫的環(huán)境模擬溫度下，力矩略有增加，但小于設(shè)計(jì)力矩，閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)選型安全系數(shù)均大于1.5，具有很高的安全系數(shù)。

　　4)環(huán)境模擬試驗(yàn)對(duì)于管道的長(zhǎng)周期安全、可靠運(yùn)行具有重要意義，建議作為管線球閥出廠驗(yàn)收項(xiàng)目之一。