低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
上海申弘閥門(mén)有限公司
低溫閥門(mén)是指能夠在低溫工況下使用的閥門(mén)，通常把工作溫度低于-40℃的閥門(mén)稱為低溫閥門(mén)。低溫閥門(mén)是石油化工、空氣分離、天然氣等工業(yè)*的重要設(shè)備之一，其質(zhì)量的優(yōu)劣決定著能否安全、經(jīng)濟(jì)、持續(xù)地生產(chǎn)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，低溫閥門(mén)的用途越來(lái)越廣，需求也越來(lái)越大。
目前，國(guó)內(nèi)低溫閥門(mén)生產(chǎn)能力較差。從材料上看，國(guó)外有CF8、LCB、LF1、F304等十多種，可以適用于不同的溫度和介質(zhì)，且都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不僅規(guī)定了鑄鍛件的尺寸和外觀質(zhì)量要求，還對(duì)鑄鍛件的化學(xué)成分、熱處理、力學(xué)性能、物理性能、焊補(bǔ)、焊后熱處理、探傷、晶間腐蝕試驗(yàn)（奧氏體鋼）、沖擊試驗(yàn)（低溫閥門(mén)）等做了嚴(yán)格的技術(shù)要求。上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、高壓閥門(mén)、中壓閥門(mén)、低壓閥門(mén)、水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。而國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)就相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)一些具體問(wèn)題的規(guī)定不夠詳細(xì)。此外，國(guó)產(chǎn)低溫閥門(mén)在技術(shù)水平、壽命、可靠性、配套能力等方面還與國(guó)外產(chǎn)品存在較大差距，因此目前國(guó)內(nèi)使用的低溫閥門(mén)絕大部分依賴進(jìn)口。鑒于國(guó)內(nèi)在低溫閥門(mén)研究開(kāi)發(fā)方面存在的不足，筆者對(duì)低溫閥門(mén)進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，現(xiàn)闡述如下。
1 低溫閥門(mén)的一般設(shè)計(jì)要求
低溫閥門(mén)工作條件苛刻，其工作介質(zhì)大部分為易燃、易爆、滲透性強(qiáng)的物質(zhì)，低工作溫度可達(dá)-269℃，高使用壓力達(dá)10MPa。因此，低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與通用閥門(mén)相比有很大的區(qū)別。一般，根據(jù)低溫閥門(mén)的使用工況，對(duì)設(shè)計(jì)工作提出以下幾點(diǎn)要求：
（1）閥門(mén)及其組合件在低溫介質(zhì)及周?chē)h(huán)境溫度下應(yīng)具有長(zhǎng)時(shí)間工作的能力（一般為10年或是3500~5000次循環(huán)）；
（2）閥門(mén)相對(duì)于低溫介質(zhì)，不應(yīng)成為一個(gè)顯著熱源，這是因?yàn)闊崃康牧魅霑?huì)降低熱效率，而且熱量流入過(guò)多，還可能使閥門(mén)內(nèi)部的低溫介質(zhì)汽化，產(chǎn)生異常升壓，造成危險(xiǎn)；
（3）低溫介質(zhì)不應(yīng)對(duì)手輪的操作性能和填料的密封性能產(chǎn)生有害影響；
（4）直接和低溫介質(zhì)接觸的閥門(mén)組合件的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)符合相關(guān)的防爆和防火要求；
（5）在低溫狀態(tài)下工作的閥門(mén)組合件不能潤(rùn)滑，所以需要采取措施，防止摩擦部件被擦傷。
上述要求應(yīng)當(dāng)貫穿低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)程的始終，另外應(yīng)當(dāng)注意到上述要求是對(duì)低溫閥門(mén)*的要求，在低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)過(guò)程中還應(yīng)當(dāng)同時(shí)遵守相關(guān)的通用閥門(mén)的要求。
2 低溫閥門(mén)技術(shù)水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)
在低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了需要考慮低溫閥門(mén)的流通能力和流道阻力等一般性要求外，還需要考慮一些其他指標(biāo)，以便更好地對(duì)低溫閥門(mén)的技術(shù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。通常通過(guò)衡量能量消耗是否合理來(lái)對(duì)低溫閥門(mén)的技術(shù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下幾項(xiàng)。
2.1 低溫閥門(mén)的絕熱性能
可以利用閥門(mén)進(jìn)入低溫介質(zhì)的熱流流量Q1與所通過(guò)的低溫介質(zhì)的質(zhì)量比來(lái)衡量低溫閥門(mén)的絕熱能力。但在介質(zhì)種類不變，僅流速發(fā)生變化時(shí)，其值就會(huì)變化，因此用這種方法作為評(píng)價(jià)低溫閥門(mén)絕熱能力的指標(biāo)顯然是不合適的?？梢圆捎弥笜?biāo)KT作統(tǒng)一比較。
（1）
式中 P--單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入低溫介質(zhì)的熱量，W，P=Q1/T；
αT--比例系數(shù)，考慮到低溫閥門(mén)一般在液氮中進(jìn)行試驗(yàn)，故取αT=0.0216；
ΔT--周?chē)h(huán)境溫度（20℃）與低溫介質(zhì)溫度之間的差值，℃；
DN--閥門(mén)的公稱通徑，m。
KT值對(duì)于同一種介質(zhì)近似常數(shù)，只和閥門(mén)本身性質(zhì)有關(guān)。
2.2 低溫閥門(mén)的冷卻性能
低溫閥門(mén)的冷卻性能是指低溫閥門(mén)從常溫冷卻到工作溫度的能力。這一性能可以利用閥門(mén)在上述過(guò)程中所消耗的能量，即在上述過(guò)程中閥門(mén)傳給低溫介質(zhì)的熱量Q2來(lái)衡量。對(duì)于周期性工作的低溫閥門(mén)來(lái)說(shuō)冷卻性能指標(biāo)有著極其重要的意義。但僅僅用Q2來(lái)衡量低溫閥門(mén)冷卻性能是不夠的，可采用如下指標(biāo)：
（2）
2.3低溫閥門(mén)啟閉密封件的工作性能
在低溫條件下，密封件的性能往往遭到破壞，為了實(shí)現(xiàn)可靠密封，必須采用合理的密封結(jié)構(gòu)或者加大密封比壓。因此，需要對(duì)密封效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。
可以采用與泄漏量有關(guān)的參數(shù)來(lái)衡量低溫閥門(mén)的密封能力，即：
（3） 式中ΔV--在工作壽命期限內(nèi)氣體的平均滲漏量，m3/s，
2.4 低溫閥門(mén)表面不結(jié)冰的條件
低溫閥門(mén)工作時(shí)，其表面不應(yīng)結(jié)露，更不應(yīng)結(jié)冰。閥門(mén)外表面是否結(jié)冰首先取決于周?chē)諝鉁囟群土悴考砻鏈囟戎g的差值ΔT1，其次取決于空氣的露點(diǎn)溫度。事實(shí)上，在全天候條件下，*消除結(jié)露是很困難的。但是如果ΔT1滿足一定條件，結(jié)冰的可能性就會(huì)大大降低，則閥門(mén)表面不結(jié)冰的條件為ΔT1≤5℃。
表1為低溫閥門(mén)的一些技術(shù)水平指標(biāo)。可以看出隨著公稱直徑的增大，閥門(mén)的性能有所改善。所以對(duì)Kr，Km指標(biāo)的要求應(yīng)當(dāng)根據(jù)公稱通徑的不同而有所變Km的值還取決于閥門(mén)的類型、閥門(mén)殼體的材料及其組件的結(jié)構(gòu)*程度等要素。一般來(lái)說(shuō)，蝶閥的Km指標(biāo)*，但是蝶閥的低溫密封性能不是很好，因此只用來(lái)調(diào)節(jié)介質(zhì)流量；截止閥和閘閥的性能次之，且低溫密封性能較好，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常用來(lái)切斷介質(zhì)。
表1 氣動(dòng)式真空絕熱低溫閥門(mén)技術(shù)水平指標(biāo) 公稱直徑/mm 低溫介質(zhì)氧（O2）、氮（N2） 低溫介質(zhì)氫（H2） KT（W/m2·C） Km（J/m2·C） KT（W/m2·C） Km（J/m2·C） 50
1.0×10-4 3.6
0.60×10-4 3.6 100
0.80×10-4 2.4
0.50×10-4 2.4 200
0.70×10-4 1.9
0.50×10-4 1.9 300
0.67×10-4 1.4
0.47×10-4 1.4
3 低溫閥門(mén)零部件材料選擇
低溫條件下，材料的抗拉強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性降低，并且呈現(xiàn)出不同程度的低溫脆性，嚴(yán)重影響閥門(mén)的正常工作。因此在低溫閥門(mén)零部件材料的選擇上，必須注意以下幾點(diǎn)：
（1）閥門(mén)的低工作溫度；
（2）保證零件在低溫下不失去工作能力所必需的機(jī)械性能，特別是低溫沖擊韌性、相對(duì)延伸率和組織穩(wěn)定性等；
（3）保證零件符合低溫介質(zhì)防爆性的相容條件，
（4）保證零件所必須的熱物理性能，其中包括導(dǎo)熱性能、冷收縮性能等；
（5）保證零件在低溫及無(wú)油潤(rùn)滑的條件下具有必需的耐磨性；
（6）保證零件具有必需的耐腐蝕性；
（7）采用焊接時(shí)還要考慮材料的焊接性能。
3.1閥體、閥蓋、閥座、啟閉件等的材料選擇
溫度高于-100℃時(shí)可選用鐵素體不銹鋼，溫度低于-100℃時(shí)選用奧氏體不銹鋼，低壓和小口徑閥門(mén)可選用銅合金或鋁合金。
3.2 閥桿材料選擇
采用奧氏體不銹耐酸鋼制造，需經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以提高抗拉?qiáng)度，同時(shí)必須鍍硬鉻（鍍層厚度0.04~0.06mm），或進(jìn)行滲氮處理，以提高表面硬度。
3.3 緊固件材料選擇
溫度高于-100℃時(shí)，螺栓材料采用Ni、Cr-Mo等合金鋼，需經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以防止螺紋咬傷；溫度低子-100℃時(shí)，螺栓材料可采用奧氏體不銹鋼。螺母材料一般采用Mo鋼或Ni鋼，同時(shí)螺紋表而涂二硫化鑰。
3.4 墊片材抖選擇
使用溫度高于-196℃，低溫高使用壓力為3MPa時(shí)，可采用長(zhǎng)纖維自石棉制成的石棉橡膠板；使用溫度高于-196℃，低溫高使用壓力為5MPa時(shí)，可采用不銹鋼帶石棉纏繞式墊片、不銹鋼帶聚四氟乙烯纏繞式墊片或不銹鋼帶膨脹石墨纏繞式墊片。
這里需強(qiáng)調(diào)一下，所有低溫材料部件在精加工之前必須進(jìn)行深冷處理，以減小低溫閥門(mén)在低溫工況下的收縮變形。
4 低溫閥門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
低溫閥門(mén)的結(jié)構(gòu)與通用閥門(mén)存在一定差異，在低溫閥門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了要考慮閥門(mén)結(jié)構(gòu)的一般性要求外，還需要重點(diǎn)解決以下一些問(wèn)題：
（1）低溫閥門(mén)關(guān)閉后，殘留在閥體中的低溫介質(zhì)因溫度升高而迅速氣化，造成閥體內(nèi)部異常升壓的問(wèn)題；
（2）低溫對(duì)填料函密封性能的不利影響；
（3）零部件冷變形對(duì)閥門(mén)的有害影響；
（4）低溫介質(zhì)對(duì)零部件的防爆要求等。還應(yīng)當(dāng)注意到低溫閥門(mén)除了在低溫介質(zhì)下工作外，同樣要在周?chē)h(huán)境溫度下工作，即在20℃左右的溫度下工作，在設(shè)計(jì)閥門(mén)元件時(shí)，特別在設(shè)計(jì)啟閉密封件時(shí)必須考慮到這點(diǎn)。
根據(jù)工作現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要，對(duì)低溫閥門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出以下基木要求：
（1）閥體應(yīng)能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮，且閥座部分的結(jié)構(gòu)不會(huì)因溫度變化而產(chǎn)生*變形；
（2）采用能保護(hù)填料函的長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)；
（3）采用無(wú)論溫度如何變化均能保持可靠密封的閥瓣，例如閘閥采用彈性閘板和開(kāi)式閘板、截止閥采用錐形閥瓣等，
（4）采用上密封結(jié)構(gòu)；
（5）采用鉆鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)的閥座、閥瓣密封面；
（6）采用泄壓孔防止異常升壓，泄壓孔開(kāi)設(shè)位置視閥門(mén)結(jié)構(gòu)而定，可以設(shè)在閥體上，也可以設(shè)在閘板上。
4.1 低溫閥門(mén)閥體的設(shè)計(jì)
閥體是閥門(mén)的主要受壓部件，必須有一定的強(qiáng)度才能保證閥門(mén)的正常工作。在低溫工況下，閥體所承受的低溫應(yīng)力、膨脹和收縮附加應(yīng)力都很大，要保持閥門(mén)密封副不發(fā)生變形，閥體必須有一定的剛度。同時(shí)，要防止低溫應(yīng)力集中產(chǎn)生的破壞，應(yīng)盡量避免在閥體中出現(xiàn)尖角、凹槽等。
閥體壁厚可按公式（4）計(jì)算或參照ASME B16.34選取。
（4）
式中t--閥體計(jì)算壁厚，mm； P--閥體高工作壓力，MPa； DN--閥門(mén)公稱通徑，mm； σ--材料的許用應(yīng)力，MPa，
計(jì)算結(jié)果應(yīng)滿足t≥tm，tm為ASME B16.34中所對(duì)應(yīng)的小壁厚。當(dāng)tm時(shí)，取t=tm。此外，還可以根據(jù)需要適當(dāng)加大壁厚尺寸。
4.2 低溫閥門(mén)長(zhǎng)頸閥蓋的設(shè)計(jì)
低溫閥門(mén)需要采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，其日的是減少外界傳入裝置中的熱量；保證填料箱部位的溫度在0℃以上，使填料可以正常工作；防止因填料函部分過(guò)冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結(jié)霜或凍結(jié)。
長(zhǎng)頸閥蓋的設(shè)計(jì)主要是頸部長(zhǎng)度L的設(shè)計(jì)，L指的是填料函底部到上密封座上表面的距離（如圖1），它和材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積及表面散熱系數(shù)、散在工業(yè)應(yīng)用中，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況（如保溫、操作空間、位置等）的需要，適當(dāng)?shù)募娱L(zhǎng)頸部尺寸。
4.3 泄壓部件的設(shè)計(jì)
異常升壓的問(wèn)題一般只存在于低溫閘閥中。當(dāng)閘閥閘板關(guān)閉后，殘留在閥體中腔的低溫介質(zhì)從周?chē)h(huán)境中大量吸收熱量，迅速汽化，在閥體內(nèi)產(chǎn)生很高的壓強(qiáng)。異常升壓的危害很大，它可能將閘板緊緊地壓在閥座上，導(dǎo)致閘板卡死，使閥門(mén)不能正常工作，也可能沖壞填料和法蘭墊片，甚至引起閥體爆炸。因此必須采取措施加以避免。
常用的措施是設(shè)計(jì)泄壓孔和設(shè)置旁路系統(tǒng)。對(duì)小口徑閥門(mén)（DN≤300mm）可以直接在閘板靠近高壓側(cè)（即進(jìn)口端）設(shè)計(jì)一個(gè)泄壓孔，對(duì)于大口徑閥門(mén)則需增加旁路系統(tǒng)。對(duì)于增加了泄壓孔或旁路系統(tǒng)的低溫閥門(mén)必須標(biāo)明介質(zhì)流向。
4.4 上密封裝置的設(shè)計(jì)
在閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，阻止工作介質(zhì)向填料函處泄漏的一種裝置稱為L(zhǎng)密封裝置。
上密封裝置有兩個(gè)作用。*，上密封裝置可以減小工作介質(zhì)對(duì)填料的損壞。工業(yè)閥門(mén)在絕大多數(shù)工作時(shí)間處于開(kāi)啟狀態(tài)，如無(wú)上密封裝置，則介質(zhì)壓力直接作用于填料。填料處于受壓狀態(tài)，易老化。第二，當(dāng)填料處有泄漏時(shí)，全開(kāi)閥門(mén)，使上密封裝置處于工作狀態(tài)，就可以帶壓進(jìn)行填料更換。因此，對(duì)于閘閥和截止閥都規(guī)定要有上密封裝置。
上密封面可用在閥蓋上堆焊鉆鉻鎢硬質(zhì)合金，然后精加工、研磨而成的工藝制得（對(duì)于奧氏體不銹鋼材料的閥蓋，可直接在閥蓋上加工上密封面），也可在專門(mén)的上密封座上研磨而成。
總之，在低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮低溫對(duì)閥門(mén)的各種影響，采用合理的結(jié)構(gòu)，避免低溫對(duì)閥門(mén)正常工作的不良影響。
5 低溫閥門(mén)的檢驗(yàn)
低溫閥門(mén)除了要做常溫檢驗(yàn)外，還必須做低溫試驗(yàn)。
常溫檢驗(yàn)主要包括殼體水壓強(qiáng)度試驗(yàn)，水壓、氣壓密封試驗(yàn)，上密封試驗(yàn)，以及啟閉和扭矩試驗(yàn)等。
低溫試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)低溫閥門(mén)在低溫狀態(tài)下的操作性能和密封性能。操作性能要求閥門(mén)啟閉靈活，移動(dòng)件和密封副不得發(fā)生擦傷和咬死。密封性能要求閥門(mén)密封面泄漏量小于允許泄漏量。
6 結(jié)論
低溫閥門(mén)與通用閥門(mén)的工作環(huán)境有很大的區(qū)別，在低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)等過(guò)程中除了要遵守閥門(mén)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)的一般規(guī)則外，還應(yīng)當(dāng)特別注意以下幾點(diǎn)：
（1）根據(jù)低工作溫度和工作介質(zhì)選擇合理的低溫材料；
（2）采用合理的結(jié)構(gòu)，特別是防止異常升壓的結(jié)構(gòu)和保證良好密封的結(jié)構(gòu)；
（3）在精加工前，必須對(duì)所有低溫材料部件進(jìn)行深冷處理；
（4）按要求進(jìn)行常溫試驗(yàn)和低溫試驗(yàn) 與本文相關(guān)的論文有：氣體減壓閥在草珊瑚牙膏的應(yīng)用
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