上海申弘閥門有限公司
低溫閥門是指能夠在低溫工況下使用的閥門，通常把工作溫度低于-40℃的閥門稱為低溫閥門。低溫閥門是石油化工、空氣分離、天然氣等工業(yè)*的重要設備之一，其質量的優(yōu)劣決定著能否安全、經(jīng)濟、持續(xù)地生產。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，低溫閥門的用途越來越廣，需求也越來越大。
目前，國內低溫閥門生產能力較差。從材料上看，國外有CF8、LCB、LF1、F304等十多種，可以適用于不同的溫度和介質，且都制定了相關標準，不僅規(guī)定了鑄鍛件的尺寸和外觀質量要求，還對鑄鍛件的化學成分、熱處理、力學性能、物理性能、焊補、焊后熱處理、探傷、晶間腐蝕試驗（奧氏體鋼）、沖擊試驗（低溫閥門）等做了嚴格的技術要求。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,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、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。而國內標準就相對簡單，對一些具體問題的規(guī)定不夠詳細。此外，國產低溫閥門在技術水平、壽命、可靠性、配套能力等方面還與國外產品存在較大差距，因此目前國內使用的低溫閥門絕大部分依賴進口。鑒于國內在低溫閥門研究開發(fā)方面存在的不足，筆者對低溫閥門進行了較系統(tǒng)的研究，現(xiàn)闡述如下。
1 低溫閥門的一般設計要求
低溫閥門工作條件苛刻，其工作介質大部分為易燃、易爆、滲透性強的物質，低工作溫度可達-269℃，高使用壓力達10MPa。因此，低溫閥門的設計、制造、檢驗與通用閥門相比有很大的區(qū)別。一般，根據(jù)低溫閥門的使用工況，對設計工作提出以下幾點要求：
（1）閥門及其組合件在低溫介質及周圍環(huán)境溫度下應具有長時間工作的能力（一般為10年或是3500~5000次循環(huán)）；
（2）閥門相對于低溫介質，不應成為一個顯著熱源，這是因為熱量的流入會降低熱效率，而且熱量流入過多，還可能使閥門內部的低溫介質汽化，產生異常升壓，造成危險；
（3）低溫介質不應對手輪的操作性能和填料的密封性能產生有害影響；
（4）直接和低溫介質接觸的閥門組合件的結構應當符合相關的防爆和防火要求；
（5）在低溫狀態(tài)下工作的閥門組合件不能潤滑，所以需要采取措施，防止摩擦部件被擦傷。
上述要求應當貫穿低溫閥門設計過程的始終，另外應當注意到上述要求是對低溫閥門*的要求，在低溫閥門的設計過程中還應當同時遵守相關的通用閥門的要求。
2 低溫閥門技術水平的評價指標
在低溫閥門設計過程中，除了需要考慮低溫閥門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，以便更好地對低溫閥門的技術水平進行評價。通常通過衡量能量消耗是否合理來對低溫閥門的技術水平進行評價，其主要評價指標有以下幾項。
2.1 低溫閥門的絕熱性能
可以利用閥門進入低溫介質的熱流流量Q1與所通過的低溫介質的質量比來衡量低溫閥門的絕熱能力。但在介質種類不變，僅流速發(fā)生變化時，其值就會變化，因此用這種方法作為評價低溫閥門絕熱能力的指標顯然是不合適的。可以采用指標KT作統(tǒng)一比較。
（1）
式中 P--單位時間內進入低溫介質的熱量，W，P=Q1/T；
αT--比例系數(shù)，考慮到低溫閥門一般在液氮中進行試驗，故取αT=0.0216；
ΔT--周圍環(huán)境溫度（20℃）與低溫介質溫度之間的差值，℃；
DN--閥門的公稱通徑，m。
KT值對于同一種介質近似常數(shù)，只和閥門本身性質有關。
2.2 低溫閥門的冷卻性能
低溫閥門的冷卻性能是指低溫閥門從常溫冷卻到工作溫度的能力。這一性能可以利用閥門在上述過程中所消耗的能量，即在上述過程中閥門傳給低溫介質的熱量Q2來衡量。對于周期性工作的低溫閥門來說冷卻性能指標有著極其重要的意義。但僅僅用Q2來衡量低溫閥門冷卻性能是不夠的，可采用如下指標：
（2）
2.3低溫閥門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，為了實現(xiàn)可靠密封，必須采用合理的密封結構或者加大密封比壓。因此，需要對密封效果進行評價。
可以采用與泄漏量有關的參數(shù)來衡量低溫閥門的密封能力，即：
（3） 式中ΔV--在工作壽命期限內氣體的平均滲漏量，m3/s，
2.4 低溫閥門表面不結冰的條件
低溫閥門工作時，其表面不應結露，更不應結冰。閥門外表面是否結冰首先取決于周圍空氣溫度和零部件表面溫度之間的差值ΔT1，其次取決于空氣的露點溫度。事實上，在全天候條件下，*消除結露是很困難的。但是如果ΔT1滿足一定條件，結冰的可能性就會大大降低，則閥門表面不結冰的條件為ΔT1≤5℃。
表1為低溫閥門的一些技術水平指標。可以看出隨著公稱直徑的增大，閥門的性能有所改善。所以對Kr，Km指標的要求應當根據(jù)公稱通徑的不同而有所變Km的值還取決于閥門的類型、閥門殼體的材料及其組件的結構*程度等要素。一般來說，蝶閥的Km指標*，但是蝶閥的低溫密封性能不是很好，因此只用來調節(jié)介質流量；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)場常用來切斷介質。
表1 氣動式真空絕熱低溫閥門技術水平指標 公稱直徑/mm 低溫介質氧（O2）、氮（N2） 低溫介質氫（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 低溫閥門零部件材料選擇
低溫條件下，材料的抗拉強度和硬度提高，塑性和韌性降低，并且呈現(xiàn)出不同程度的低溫脆性，嚴重影響閥門的正常工作。因此在低溫閥門零部件材料的選擇上，必須注意以下幾點：
（1）閥門的低工作溫度；
（2）保證零件在低溫下不失去工作能力所必需的機械性能，特別是低溫沖擊韌性、相對延伸率和組織穩(wěn)定性等；
（3）保證零件符合低溫介質防爆性的相容條件，
（4）保證零件所必須的熱物理性能，其中包括導熱性能、冷收縮性能等；
（5）保證零件在低溫及無油潤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℃時可選用鐵素體不銹鋼，溫度低于-100℃時選用奧氏體不銹鋼，低壓和小口徑閥門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)過適當?shù)臒崽幚恚蕴岣呖估瓘姸龋瑫r必須鍍硬鉻（鍍層厚度0.04~0.06mm），或進行滲氮處理，以提高表面硬度。
3.3 緊固件材料選擇
溫度高于-100℃時，螺栓材料采用Ni、Cr-Mo等合金鋼，需經(jīng)適當?shù)臒崽幚恚苑乐孤菁y咬傷；溫度低子-100℃時，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，可采用長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，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。
這里需強調一下，所有低溫材料部件在精加工之前必須進行深冷處理，以減小低溫閥門在低溫工況下的收縮變形。
4 低溫閥門結構設計
低溫閥門的結構與通用閥門存在一定差異，在低溫閥門的結構設計過程中，除了要考慮閥門結構的一般性要求外，還需要重點解決以下一些問題：
（1）低溫閥門關閉后，殘留在閥體中的低溫介質因溫度升高而迅速氣化，造成閥體內部異常升壓的問題；
（2）低溫對填料函密封性能的不利影響；
（3）零部件冷變形對閥門的有害影響；
（4）低溫介質對零部件的防爆要求等。還應當注意到低溫閥門除了在低溫介質下工作外，同樣要在周圍環(huán)境溫度下工作，即在20℃左右的溫度下工作，在設計閥門元件時，特別在設計啟閉密封件時必須考慮到這點。
根據(jù)工作現(xiàn)場的實際需要，對低溫閥門的結構設計提出以下基木要求：
（1）閥體應能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮，且閥座部分的結構不會因溫度變化而產生*變形；
（2）采用能保護填料函的長頸閥蓋結構；
（3）采用無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式閘板、截止閥采用錐形閥瓣等，
（4）采用上密封結構；
（5）采用鉆鉻鎢硬質合金堆焊結構的閥座、閥瓣密封面；
（6）采用泄壓孔防止異常升壓，泄壓孔開設位置視閥門結構而定，可以設在閥體上，也可以設在閘板上。
4.1 低溫閥門閥體的設計
閥體是閥門的主要受壓部件，必須有一定的強度才能保證閥門的正常工作。在低溫工況下，閥體所承受的低溫應力、膨脹和收縮附加應力都很大，要保持閥門密封副不發(fā)生變形，閥體必須有一定的剛度。同時，要防止低溫應力集中產生的破壞，應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）計算或參照ASME B16.34選取。
（4）
式中t--閥體計算壁厚，mm； P--閥體高工作壓力，MPa； DN--閥門公稱通徑，mm； σ--材料的許用應力，MPa，
計算結果應滿足t≥tm，tm為ASME B16.34中所對應的小壁厚。當tm時，取t=tm。此外，還可以根據(jù)需要適當加大壁厚尺寸。
4.2 低溫閥門長頸閥蓋的設計
低溫閥門需要采用長頸閥蓋結構，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冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結霜或凍結。
長頸閥蓋的設計主要是頸部長度L的設計，L指的是填料函底部到上密封座上表面的距離（如圖1），它和材料的導熱系數(shù)、導熱面積及表面散熱系數(shù)、散在工業(yè)應用中，可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況（如保溫、操作空間、位置等）的需要，適當?shù)募娱L頸部尺寸。
4.3 泄壓部件的設計
異常升壓的問題一般只存在于低溫閘閥中。當閘閥閘板關閉后，殘留在閥體中腔的低溫介質從周圍環(huán)境中大量吸收熱量，迅速汽化，在閥體內產生很高的壓強。異常升壓的危害很大，它可能將閘板緊緊地壓在閥座上，導致閘板卡死，使閥門不能正常工作，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。
常用的措施是設計泄壓孔和設置旁路系統(tǒng)。對小口徑閥門（DN≤300mm）可以直接在閘板靠近高壓側（即進口端）設計一個泄壓孔，對于大口徑閥門則需增加旁路系統(tǒng)。對于增加了泄壓孔或旁路系統(tǒng)的低溫閥門必須標明介質流向。
4.4 上密封裝置的設計
在閥門全開時，阻止工作介質向填料函處泄漏的一種裝置稱為L密封裝置。
上密封裝置有兩個作用。*，上密封裝置可以減小工作介質對填料的損壞。工業(yè)閥門在絕大多數(shù)工作時間處于開啟狀態(tài)，如無上密封裝置，則介質壓力直接作用于填料。填料處于受壓狀態(tài)，易老化。第二，當填料處有泄漏時，全開閥門，使上密封裝置處于工作狀態(tài)，就可以帶壓進行填料更換。因此，對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合金，然后精加工、研磨而成的工藝制得（對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），也可在專門的上密封座上研磨而成。
總之，在低溫閥門的設計過程中要綜合考慮低溫對閥門的各種影響，采用合理的結構，避免低溫對閥門正常工作的不良影響。
5 低溫閥門的檢驗
低溫閥門除了要做常溫檢驗外，還必須做低溫試驗。
常溫檢驗主要包括殼體水壓強度試驗，水壓、氣壓密封試驗，上密封試驗，以及啟閉和扭矩試驗等。
低溫試驗的主要目的是檢驗低溫閥門在低溫狀態(tài)下的操作性能和密封性能。操作性能要求閥門啟閉靈活，移動件和密封副不得發(fā)生擦傷和咬死。密封性能要求閥門密封面泄漏量小于允許泄漏量。
6 結論
低溫閥門與通用閥門的工作環(huán)境有很大的區(qū)別，在低溫閥門的設計、制造、檢驗等過程中除了要遵守閥門設計、制造、檢驗的一般規(guī)則外，還應當特別注意以下幾點：
（1）根據(jù)低工作溫度和工作介質選擇合理的低溫材料；
（2）采用合理的結構，特別是防止異常升壓的結構和保證良好密封的結構；
（3）在精加工前，必須對所有低溫材料部件進行深冷處理；
（4）按要求進行常溫試驗和低溫試驗 與本文相關的論文有：氣體減壓閥在草珊瑚牙膏的應用
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