一種利用理想氣體狀態(tài)方程對LNG低溫閥門進行泄漏檢測的方法

劉玉香

摘 要：LNG接收站主要工藝閥門用來對LNG進行切斷和流量、壓力調(diào)節(jié)，為保證生產(chǎn)期間尤其是預(yù)冷期間的安全，LNG接收站一些關(guān)鍵閥門需要達到5級甚至更高級別的泄漏等級。一般來說，施工單位對閥門泄漏測試方法主要是壓差法，該方法通常做法是閥前注入儀表風至閥門設(shè)計壓力，閥后保持微正壓，并安裝壓力表，通過檢測壓力表的變化來確定閥門是否泄漏，一般靜置24小時，壓力上升不超過10%為合格。該方法雖然操作簡單，但需要閥前壓力達到設(shè)計壓力，且在具體實施中存在偏差較大，科學性較差的缺陷。該方法檢測結(jié)果僅可作為參考，不為閥門廠家所承認。為此，在接收站開車前的閥門測漏過程中，按照理想氣體狀態(tài)方程，找到了一種計算閥門實際泄漏量的方法，較好地解決了傳統(tǒng)閥門測漏方法科學性較差、偏差太大的問題。為閥門設(shè)備廠家檢修閥門以及索賠提供了有說服力的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：氣體狀態(tài)方程;測漏;應(yīng)用

利用理想氣體狀態(tài)方程PV=NRT對閥門進行氣體泄漏測試，有間接壓差和直接測算兩種模式可供選擇。

1模式應(yīng)用

1.1間接壓差模式

該模式是閥前和閥后分別升壓，要求閥前與閥后壓差在0.35MPa。根據(jù)廠家提供的閥門最大泄漏量，計算閥后每小時壓力變化允許的最高值。以此為基準，如果實際測得閥后壓力升高超出這個最高值即可確認該閥門不合格。

應(yīng)用實例：

LNG 儲罐卸料上下進液閥門在罐底板預(yù)冷完成前必須保證上下進液關(guān)閉且無泄漏，以防止LNG直接進入儲罐。如該閥門泄漏將導(dǎo)致LNG噴濺到罐底板上，因為瞬間降溫將對罐底板造成重大損害。為此，必須保證儲罐上下進液的兩個閥門泄漏量不能超出標準。

測試分五步：

第一步：確定每小時最大泄漏氣體摩爾數(shù)N

按照廠家提供的該閥門的泄漏控制指標為小于1100個氣泡/分鐘，查相關(guān)標準知：每個氣泡為0.15毫升，故泄漏指標為165毫升/分，每小時允許泄漏為165*60=9900毫升=9.9升=0.442mol

第二步：測量閥后密閉管線的容積V

已知HV1003閥后管徑為DN1000，測得HV1003閥后距離進罐盲板處距離L為5米，計算閥后容積為V=0.785D2L=0.785*12*5=0.785*5立方米=3925升

第三步：閥前閥后升壓至壓差350 KPa并測得管線內(nèi)氣體溫度T

將閥前升壓至450KPa，閥后升壓至100KPa;

測得管線內(nèi)溫度為27℃，換算T=273+27=300K

第四步：計算閥后最大允許升壓值

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，初始閥后至盲板處：

（1）初始：P1 V1 =N1RT1

P1= N1RT1/ V1

（2）1小時后：閥后壓力P2= N2RT2/ V2

1小時后閥后壓力增加值最大為△P= N2RT2/ V2-N1RT1/ V2

上式中：V2= V1=3925升

N2- N1=0.442mol（每小時允許泄漏摩爾數(shù)）

T2=T1=300K（管線進行保冷，可以將管線內(nèi)溫度變化忽略不計，T2=T1）

R是常數(shù)8.314

所以：△P= N2RT2/ V2-N1RT1/ V1

=△NRT/V

=（0.442*8.314*300）/3925 =0.28 KPa

根據(jù)上述計算，該閥門每小時閥后升壓小于等于0.28 KPa為合格。

第五步：觀測閥后實際壓力增加值

9月19日下午19：00，閥門XV1007至HV1003閥之間壓力測得為450 KPa，HV1003閥后壓力測得為100 KPa，

20日上午10：20 測得HV1003閥后壓力為109 KPa。

經(jīng)過15.3小時，閥后升壓為9 KPa，每小時升壓為0.59 KPa大于每小時最大允許升壓值（0.28 KPa）的設(shè)計標準，故該閥門不合格。

1.2泄漏量直接測算模式

該模式該模式是閥前和閥后分別升壓，要求閥前與閥后壓差在0.35MPa，通過閥后精確壓力表的變化值計算單位時間的泄漏量，與閥門廠家提供的允許最大泄漏值進行比較。

超出允許泄漏值即為不合格。

應(yīng)用實例：

LNG卸船碼頭卸料支管的切斷閥要求泄漏等級達到5級，如果超出泄漏要求等級，在不卸料的狀態(tài)碼頭保冷循環(huán)的LNG將從該閥門泄漏至卸料臂雙球閥處，遇到雷電極易引發(fā)火災(zāi)爆炸，為此需將該閥門進行側(cè)漏。

測試分五步：

第一步：確定閥門允許最大泄漏量

與該閥門廠家對接，出廠泄露等級為5級，最大泄漏量為4.7*管徑（管徑為英寸），該閥門為24英寸閥門，其最大泄漏量為：4.7*24=112.8毫升/分鐘

第二步：閥前閥后升壓至壓差350 KPa并測得管線內(nèi)氣體溫度T

將閥前升壓至360KPa，閥后升壓至10KPa;

測得管線內(nèi)溫度為27℃，換算T=273+27=300K

第三步：計算閥后密閉管線容積

已知閥后管徑為DN600，測得閥后距離卸料臂盲板處距離L為9米，計算閥后容積為V=0.785D2L=0.785*0.62*9=2.54立方米=2540升

第四步：觀測閥后一定時間內(nèi)的升壓值（一般取24小時）

10月15日15：00測得閥后壓力為10 KPa，10月16日15：30測得閥后壓力為25KPa。

第五步：計算泄漏量

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，初始閥后氣體摩爾數(shù)：

N1 = P1 V1/ RT1

24.5小時后，閥后氣體摩爾數(shù)：

N2= P2 V2/ RT2

泄漏摩爾數(shù)△N= N2-N1= V2 P2/RT2-V1 P1 / R T1

上式中：

V2= V1=V=2540升，P2=25KPa，P1=10 KPa

T2 =T1=T=300K ，R是常數(shù)8.314

代入上式：

△N=（P2-P1）V/RT=（25-10）*2540/8.314*300

=15.27mol=342升=342000毫升

每分鐘平均泄漏量為：

342000/（24.5*60）=232.7毫升/分鐘

與第一步確定的閥門允許最大泄漏量112.8毫升/分鐘相比較：

232.7毫升/分鐘>112.8毫升/分鐘

故判斷該閥門泄漏量超出標準，不合格。

2主要創(chuàng)新點

該方法利用理想氣體狀態(tài)方程，有效避免由于下游管線容積不同而帶來的測量偏差，提高了閥門泄漏量測試的準確性。

該方法在下游管線安裝有壓力變送器的情況下，可以連續(xù)、精確地測量出閥門在單位時間的泄漏量。

該方法解決了傳統(tǒng)側(cè)漏方法偏重定性無法定量的難題，實現(xiàn)了定量檢測，保證了科學性。

該方法有效利用了測試氣體在壓強不太大、溫度不太低的條件下非常接近理想氣體的性質(zhì)，減少了偏差，簡化了計算過程。

3效果和推廣

利用上述方法對LNG接收站23個閥門進行了檢測，共發(fā)現(xiàn)7個閥門存在泄漏超標的問題。經(jīng)閥門廠家現(xiàn)場打開閥門檢修孔進行檢查，確定7個閥門密封面損壞。從一個側(cè)面驗證了上述方法的科學性和準確性。更換密封面后，利用上述方法再次檢測，閥門均一次合格。但是該方法也存在一個需要改進的方面，那就是測試氣體（壓縮空氣）盡管接近理想氣體，但事實上與理想氣體有偏差，尤其是在測得泄漏量與最大允許泄漏量比較接近時，如何判斷閥門是否符合標準還存在不確定性。而氦氣與理想氣體更為接近，今后可以考慮利用氦氣進行側(cè)漏或者在利用壓縮空氣進行側(cè)漏時對泄漏量增加一個修正系數(shù)，這需要在今后長期的實踐中來驗證。

對LNG低溫閥門來說，關(guān)鍵位置的閥門泄漏將帶來嚴重后果。利用理想氣體狀態(tài)方程對閥門進行泄漏檢測，可以比較準確、快捷地判斷閥門泄漏是否符合標準，從而采取措施避免閥門內(nèi)漏導(dǎo)致的事故，具有良好的社會效益。同時，該方法的科學性也為企業(yè)索賠提供了可靠依據(jù)。該方法可以依靠計算機建立快捷計算公式，方法可復(fù)制，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1]陶國慶，宋忠榮，余宏兵，等.LNG 工程用超低溫閥門的設(shè)計研究[J].流體機械，2015，（10）.47-51.