之前介紹自力式壓力調(diào)節(jié)閥在化工行業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)在介紹低溫閥門設(shè)計(jì)試驗(yàn)低溫閥門的主要品種有：閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥等。低溫閥門一般都采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，以保證填料函底部溫度保持在0℃以上，防止填料凍結(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮由于溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形和介質(zhì)異常升壓現(xiàn)象，以保證密封性能和強(qiáng)度安全為主要原則。低溫閥門材料選擇要依工作溫度而定，一般來(lái)說(shuō)，-100℃以上，主體材料采用低溫碳鋼，-100℃以下要選擇奧氏體不銹鋼。密封和緊固件也要依據(jù)工作溫度的不同，選擇合適的材料以保證有效的機(jī)械性能。低溫閥門的工作介質(zhì)不僅溫度低，而且大部分或有毒，或易燃、易爆，而且滲透性強(qiáng)，因此決定了對(duì)閥門用材的諸多特殊要求。在低溫狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能與常溫時(shí)不同，低溫用鋼，除強(qiáng)度外，重要的指標(biāo)就是其低溫沖擊韌性。材料的低溫沖擊韌性與材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度愈低，材料的低溫沖擊韌性愈好。碳鋼等體心立方晶格的金屬材料存在低溫冷脆現(xiàn)象，而奧氏體不銹鋼等面心立方晶格的金屬材料其沖擊韌性基本不受低溫影響。
低溫閥門閥體、閥蓋等耐壓零件的材料，通常采用低溫強(qiáng)度好的韌性材料，同時(shí)還要考慮焊接性、機(jī)加工性能、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等因素。近幾十年，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程項(xiàng)目中對(duì)低溫閥門的需求越來(lái)越多。低溫閥門在化肥、LNG 及石油化工等領(lǐng)域使用較多。適用于介質(zhì)溫度-40℃～ -250℃的閥門稱之為低溫閥門。德國(guó)沃德WODE進(jìn)口低溫閥門包括低溫球閥、低溫電磁閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫安全閥、低溫止回閥，低溫蝶閥，低溫針閥，低溫節(jié)流閥，低溫減壓閥，低溫電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、低溫氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥等，主要用于乙烯，液化天然氣裝置，天然氣LPG LNG儲(chǔ)罐，接受基地及衛(wèi)星站，空分設(shè)備，石油化工尾氣分離設(shè)備，液氧、液氮、液氬、二氧化碳低溫貯槽及槽車、變壓吸附制氧等裝置上
低溫閥門所控制的介質(zhì)除了液氮和其他液態(tài)惰性氣體外，大部分介質(zhì)不但易燃、易爆，而且在升溫或者閃蒸時(shí)會(huì)發(fā)生氣化，致使體積急劇膨脹，容易導(dǎo)致泄漏和爆炸。基于介質(zhì)特點(diǎn)及適應(yīng)閥門在低溫下使用的要求，低溫閥門的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和安裝方法等均與普通閥門有不同之處。設(shè)計(jì)時(shí)，常用的是 -46℃、-101℃和-196℃三個(gè)低溫級(jí)別。-46℃低溫級(jí)一般選用低溫碳鋼，-101℃和 -196℃低溫級(jí)一般選用 300系列奧氏體不銹鋼，這種不銹鋼有適中的強(qiáng)度、較好的韌性和較好的加工性能等。 
2.2 低溫閥門設(shè)計(jì)試驗(yàn)閥門低溫試驗(yàn)裝置
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥 閥門低溫試驗(yàn)裝置主要用來(lái)進(jìn)行低溫閥門零部件深冷處理和閥門低溫型式試驗(yàn)。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作溫度低于-100℃的低溫閥門，其主要零部件在精加工前應(yīng)進(jìn)行深冷處理，目的是減少由于溫差和金相組織改變而產(chǎn)生的變形。低溫試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)在低溫工作環(huán)境下，低溫閥門的整機(jī)性能，這是一項(xiàng)要定期進(jìn)行的工作。
低溫閥門設(shè)計(jì)試驗(yàn)低溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）閥蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
低溫閥門的一個(gè)顯注的特點(diǎn)就是其閥蓋一般為長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu)，在 GB/T 24925《低溫閥門技術(shù)條件》中也有明確規(guī)定 “低溫閘閥、截止閥、球閥、蝶閥的閥蓋應(yīng)根據(jù)不同的使用溫度要求設(shè)計(jì)成便于保冷的長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，以保證填料函底部的溫度保持在 0℃以上”。 加長(zhǎng)閥蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是為了使閥門操作手柄和填料函結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離低溫區(qū)，既可以避免溫度太低造成操作人員凍傷，也可以保證填料函和壓套在正常的溫度下使用，防止填料的密封性能降低，延長(zhǎng)填料的使用壽命。因?yàn)樵诘蜏貭顟B(tài)下隨著溫度的降低，填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降，由于介質(zhì)滲漏造成填料與閥桿處結(jié)冰，影響閥桿正常操作，同時(shí)也會(huì)因閥桿上下移動(dòng)而將填料劃傷，引起嚴(yán)重泄漏。所以低溫閥門必須采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu)還便于纏繞保冷材料，防止冷能損失。由于低溫管道一般有著較厚的保冷層厚度，長(zhǎng)頸閥蓋便于保冷施工，并使填料壓蓋處于保冷層外，有利于需要時(shí)隨時(shí)緊固壓蓋螺栓或添加填料而無(wú)需損壞保冷層。
BS6364、MSS SP-134 和 SHELL MESC SPE77/200 標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)閥蓋加長(zhǎng)尺寸進(jìn)行了規(guī)定。其中，BS6364 規(guī)定了15～ 500帶冷箱的加長(zhǎng)尺寸， 并規(guī)定非冷箱小加長(zhǎng)長(zhǎng)度應(yīng)為250mm；MSS SP-134 則包含了15～300的帶冷箱和非冷箱的加長(zhǎng)尺寸要求，比較而言，非冷箱加長(zhǎng)尺寸比 BS6364 規(guī)定長(zhǎng)，帶冷箱加長(zhǎng)尺寸比 BS6364 規(guī)定短。SHELL MESC SPE 77/200則沒(méi)有對(duì)帶冷箱和非冷箱進(jìn)行區(qū)分，規(guī)定了15～1200在不同溫度范圍的長(zhǎng)度 。
綜合考慮，SHELL MESC SPE 77/200 其加長(zhǎng)長(zhǎng)度選用范圍較寬使用比較方便可靠，如用于低溫關(guān)鍵場(chǎng)合可參考 SHELL MESC SPE 77/200 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)或按設(shè)計(jì)單位特殊長(zhǎng)度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，在進(jìn)行長(zhǎng)度選用時(shí)還需考慮設(shè)計(jì)保冷層厚度是否大于該長(zhǎng)度，如是則應(yīng)加長(zhǎng)以和保冷厚度匹配。
2）滴水板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于閥門內(nèi)傳遞是低溫介質(zhì)，為了避免或減少介質(zhì)溫度向閥桿及其上端的填充材料傳遞，防止這些材料因凍結(jié)而失效，可在閥門中增加滴水板結(jié)構(gòu)。一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)這種帶有滴水板結(jié)構(gòu)的閥門進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端溫度較高。由于延長(zhǎng)閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會(huì)液化成水珠，滴水板的直徑超過(guò)中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹燭影響在線維修。此外，滴水板需設(shè)置在保冷層外側(cè)，可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部，保護(hù)保冷層及防止冷量流失。
3）泄壓部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于有密閉中腔結(jié)構(gòu)的低溫閥門，當(dāng)應(yīng)用在易燃、易爆且容易氣化的介質(zhì)時(shí)，對(duì)于閥門密封結(jié)構(gòu)有著特殊的要求。一些低溫介質(zhì)在汽化后其體積會(huì)升高，例如，液化天然氣汽化后的體積為液態(tài)時(shí)的六百多倍，當(dāng)閥門為閉合狀態(tài)且周圍環(huán)境溫度相對(duì)較高時(shí)，閥體內(nèi)的低溫介質(zhì)吸收環(huán)境中熱量而逐漸汽化，其體積迅速上升，導(dǎo)致閥門內(nèi)部超壓，甚至威脅到閥門的安全，導(dǎo)致介質(zhì)泄露甚至造成火災(zāi)事故，為保證閥門和工廠的安全性，此類閥門要求帶中腔自泄壓結(jié)構(gòu)，使閥門內(nèi)腔壓力異常超壓時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄放。如低溫閘閥、球閥，由于閥門密封原理不同，在泄壓設(shè)計(jì)上，會(huì)有明顯的區(qū)別。不過(guò)不同的廠家在泄壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，多有自己不同的特點(diǎn)。
4）防靜電及防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于低溫閥門一般應(yīng)用在易燃、易爆的介質(zhì)上，防靜電設(shè)計(jì)及防火設(shè)計(jì)顯得尤為重要。防靜電設(shè)計(jì)主要是以一種類似避雷針的引導(dǎo)電流方式，將閥桿與閥體導(dǎo)通，從而將靜電導(dǎo)出以消除安全隱患，保證整個(gè)系統(tǒng)的供應(yīng)安全。如GB/T 24925 明確規(guī)定 “ 用于易燃蒸氣或液體的具有軟閥座或軟的關(guān)閉插入部件的閥門，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證閥體和閥桿具有導(dǎo)電連貫性，放電路徑大電阻不應(yīng)超過(guò) 10Ω。”。防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)因溫度劇烈變化而導(dǎo)致的介質(zhì)泄露問(wèn)題而進(jìn)行的，防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與普通閥門的設(shè)計(jì)要求類似。
5）閥體
閥體應(yīng)能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮。而且閥座部位的結(jié)構(gòu)不會(huì)因溫度變化而產(chǎn)生變形。
6）閥瓣
閘閥采用撓性閘板或開(kāi)式閘板；截止閥的平閥座及針形閥，采用塞子形的閥瓣。這些結(jié)構(gòu)形式不論溫度如何變化，均能保持可靠的密封。
7）閥桿
閥桿需鍍鉻、鍍鎳磷或經(jīng)氮化處理，以提高閥桿表面硬度，防止閥桿與填料、填料壓套（壓蓋）相互咬死，損壞密封填料，造成填料函泄漏。
8）墊片
墊片選用要考慮墊片材料的低溫性能，如壓縮回彈性、預(yù)緊力、緊固壓力分布以及應(yīng)力松弛特性等。
9）填料函及填料
填料函不能與低溫段直接接觸，而設(shè)在長(zhǎng)頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠(yuǎn)的位置，在0℃以上的溫度環(huán)境下工作。這樣，提高了填料函的密封效果。在泄漏時(shí)，或當(dāng)?shù)蜏亓黧w直接接觸填料造成密封效果下降時(shí)，可以從填料函中間加入潤(rùn)滑脂形成油封層，降低填料函的壓差，作為輔助密封措施。填料函多采用帶有中間金屬隔離環(huán)的二段填料結(jié)構(gòu)。但也有的采用一般閥門填料函結(jié)構(gòu)和閥桿能自緊的二重填料函結(jié)構(gòu)等其他型式。
10）上密封
低溫閥都設(shè)上密封座結(jié)構(gòu)，上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，精加工后研磨。
11）閥座、閥瓣（閘板）密封面
低溫閥的關(guān)閉件采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)。軟密封結(jié)構(gòu)由于聚四氟乙烯膨脹系數(shù)大，低溫變脆，所以僅適用于溫度高于-70℃的低溫閥，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低溫閥。
12）中法蘭螺栓
螺栓應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，這是因?yàn)槁菟ㄔ诜磸?fù)載荷下工作，常會(huì)因疲勞而產(chǎn)生斷裂。因螺栓在螺紋根部易引起應(yīng)力集中，所以采用全螺紋結(jié)構(gòu)的螺栓。
目前，低溫環(huán)境主要是通過(guò)熱力循環(huán)或低溫介質(zhì)（通常是低溫液體吸收氣化潛熱）方式獲得，但-100℃以下的深冷環(huán)境通常只能通過(guò)低溫液體浸漬法獲得，由于液氮的溫度位合適（-196℃）、來(lái)源廣泛、無(wú)污染、價(jià)格便宜而得到廣泛應(yīng)用。采用液氮作為冷媒介質(zhì)時(shí)，可以通過(guò)加入一定比例的酒精來(lái)獲得不同的溫度位。
3 低溫閥門設(shè)計(jì)試驗(yàn)深冷處理與低溫試驗(yàn)
3.1 深冷處理
深冷處理工藝在閥門行業(yè)主要適用于工作溫度低于-100℃的超低溫閥門零部件，在這個(gè)溫度段的用材主要以F304、F304L、F316和F316L等Cr-Ni奧氏體不銹鋼為主，這些材料都屬于亞穩(wěn)定型不銹鋼，在低溫下會(huì)發(fā)生向馬氏體的金相轉(zhuǎn)變，由于體心立方晶格的馬氏體比面心立方晶格的奧氏體具有更大的比容，低溫相變后會(huì)引起體積膨脹而導(dǎo)致零件變形。
此外，溫度降低還會(huì)造成金屬結(jié)構(gòu)的收縮，由于零件各部分收縮不均勻，就產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超出了材料的屈服極*，零件將產(chǎn)生不可逆的變形。深冷處理可以使相變和變形充分發(fā)生，然后，通過(guò)精加工使零件保持組織和尺寸的相對(duì)穩(wěn)定。具體方法是：將零件浸放在液氮中，當(dāng)溫度達(dá)到-196℃時(shí)開(kāi)始保溫1～2h，然后取出，自然恢復(fù)到常溫，重復(fù)循環(huán)2次。有關(guān)研究資料表明，深冷處理還有強(qiáng)化材料機(jī)械性能的效果，鋼鐵材料在經(jīng)過(guò)深冷處理后，強(qiáng)度和硬度有所提高。主要是由于：
（1）殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高強(qiáng)度和硬度； （2）從馬氏體中析出超細(xì)碳化物，從而彌散強(qiáng)化； （3）組織細(xì)化，從而引起材料的強(qiáng)硬化。并且認(rèn)為：二次深冷處理效果，因?yàn)榈诙翁幚頃r(shí)材料仍能發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化，但是此后的多次處理就不再有明顯變化 。因?yàn)榈蜏亻y門的特殊結(jié)構(gòu)，低溫閥門的安裝亦有其特殊要求。因?yàn)榈蜏亻y門的長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，低溫閥門在安裝時(shí)閥桿閥桿方向必須在垂直向上的 45 度角范圍內(nèi)，且應(yīng)盡量避免安裝在垂直管線上。否則低溫介質(zhì)將充滿閥蓋的加長(zhǎng)部分，造成閥門填料失效，并會(huì)將冷量傳給閥門手柄，給操作人員帶來(lái)人身傷害。對(duì)于有泄壓結(jié)構(gòu)的低溫閥門，在安裝閥門時(shí)，要特別注意閥門泄壓方向的要求。閥門泄壓的方向應(yīng)在工藝流程圖上標(biāo)出，并體現(xiàn)在管道軸測(cè)圖中。 
3.2 低溫試驗(yàn)
目前，閥門低溫試驗(yàn)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)主要是：JB/T7794、BS6364等。在低溫試驗(yàn)前，閥門應(yīng)進(jìn)行去油脂和干燥處理，因?yàn)橛椭退衷诘蜏丨h(huán)境下會(huì)變成堅(jiān)硬的固態(tài)物質(zhì)，造成閥內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷。將閥門和試驗(yàn)裝置連接好以后，在常溫和大工作壓力下，使用氦氣做初始檢測(cè)試驗(yàn)，確保各部位連接的緊密性。在閥門降溫的過(guò)程中要保持閥內(nèi)始終有氦氣流通，以帶走降溫過(guò)程中可能形成的濕氣。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程要在低溫試驗(yàn)槽內(nèi)完成，閥門整體浸入液氮或液氮與酒精的混合液中，液面高度應(yīng)達(dá)到閥蓋頸部位置。當(dāng)各部位溫度達(dá)到規(guī)定的要求時(shí)，即可開(kāi)始試驗(yàn)。低溫試驗(yàn)的內(nèi)容主要是按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)閥門在低溫狀態(tài)下的密封和操作性能，其間還要做若干次的開(kāi)關(guān)操作，一定要注意人員的安全防護(hù)，要注意工作環(huán)境的通風(fēng)和低溫區(qū)域的警示、隔離。要重視對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后工作場(chǎng)所的善后防護(hù)。將閥門安裝在試驗(yàn)容器內(nèi)并連接好，要確保閥門填料處在容器頂部沒(méi)有汽化氣體的位置在室溫下用規(guī)定介質(zhì)氣體以大閥座試驗(yàn)壓力進(jìn)行初始的系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)，以確保閥門是在合適的狀態(tài)下，然后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)將閥門浸入液氮中進(jìn)行冷卻，液體的水平面至少淹住閥體與閥蓋的連接部位，在整個(gè)冷卻過(guò)程中一直向閥門提供氦氣。在冷卻過(guò)程中，用安裝在適當(dāng)位置上的熱電偶對(duì)閥門的溫度進(jìn)行監(jiān)控。閥門在試驗(yàn)溫度下達(dá)到穩(wěn)定。用熱電偶測(cè)定溫度以確信閥門的溫度達(dá)到均勻。在試驗(yàn)溫度下用氦氣以大閥座試驗(yàn)壓力進(jìn)行初始的驗(yàn)證試驗(yàn)在閥門的進(jìn)口側(cè)進(jìn)行閥座壓力試驗(yàn)，能夠雙向密封的閥門，對(duì)兩個(gè)閥座分別進(jìn)行試驗(yàn)。使閥門處在開(kāi)啟位置，關(guān)閉閥門出口側(cè)的針形閥，將閥腔中的壓力升至閥座試驗(yàn)壓力。將該壓力保持規(guī)定的要求，檢查閥門填料處及閥體與蓋連接處是否泄漏，應(yīng)無(wú)泄漏。使閥門恢復(fù)室溫，再進(jìn)行常溫密封試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，將閥門清潔、吹干，檢查合格后出廠。清除閥門零件的油漬，將它們擦干凈并在干凈，沒(méi)有灰塵和油漬的環(huán)境下將閥門裝配好；將螺栓擰緊到預(yù)定的力矩值和拉力值，并記錄下該值；用合適的熱電偶與閥門連接，從而能在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)控閥門的溫度。
4 閥門深冷試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)
所討論的低溫閥門深冷試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案基于現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)，考慮了目前主要的低溫閥門產(chǎn)品分布。方案的提出有實(shí)際的工程應(yīng)用基礎(chǔ)。 與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組
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