超低溫閥門設計要求

                              上海申弘閥門有限公司

    目前城市中主要的煤氣管道、天然氣管道系統(tǒng)中主要使用的裝置就是一種管道調(diào)節(jié)閥了，而一般這類閥門被稱之為低溫閥門。說到這種低溫形式的閥裝置，其實目前在一些易燃易爆的介質(zhì)管道中，這種低溫閥都有得到利用的，而作為主要的管道用件，目前來說，它的設計是有一定的要求的，因為它需要使用到一些易燃易爆的介質(zhì)管道中，所以對于低溫形式的閥門來說，其實還是需要一些特殊的要求的，這里就來簡單的介紹一下關(guān)于這種低溫閥門的幾個設計要求吧。

    其中低溫閥門不應成為低溫系統(tǒng)的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險。直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門組合件應具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。低溫介質(zhì)不應對手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。

一、低溫閥門的設計要求
        根據(jù)使用條件，低溫閥的設計有下列要求：
        1） 閥門在低溫介質(zhì)及周圍環(huán)境溫度下應具有長時間工作的能力。
        2） 閥門不應成為低溫系統(tǒng)的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險。
        3） 低溫介質(zhì)不應對手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。
        4） 直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門組合件應具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。
        5） 在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結(jié)構(gòu)措施，以防止摩擦件擦傷。
二、超低溫閥門設計要求的材料選用

（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(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(diào)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 超低溫閥門設計要求結(jié)構(gòu)設計  
   低溫閥門的結(jié)構(gòu)與通用閥門存在一定差異，在低溫閥門的結(jié)構(gòu)設計過程中，除了要考慮閥門結(jié)構(gòu)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(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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不會因溫度變化而產(chǎn)生*變形； 
    （2）采用能保護填料函的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)；    （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(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，泄壓孔開設位置視閥門結(jié)構(gòu)而定，可以設在閥體上，也可以設在閘板上。  

        1、低溫閥主體材料
     （1） 主體材料選用應考慮的因素
        從金相考慮，金屬材料中除了具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅、鋁等以外，一般的鋼材在低溫狀態(tài)下會出現(xiàn)低溫脆性，從而降低閥門的強度和使用壽命。選擇主體材料時首先要選用適合于低溫下工作的材料。鋁在低溫下不會出現(xiàn)低溫脆性，但因鋁及鋁合金的硬度不高，鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差，所以在低溫閥門中的使用有一定的限制，僅在低壓和小口徑閥門中選用。
        在低溫工作的材料要保證其低溫性能，主要是保證其冷沖擊強度。閥內(nèi)件必須通過正確選材，使其具有足夠的冷沖擊強度，才能防止斷裂。C和Cr的合金鋼在低于－20℃時候很快失去抗沖擊強度，所以使用溫度分別限制在-30℃和-50℃。含Ni量為3.5%的鎳鋼可以使用到-100℃，含Ni量9%的鎳鋼可以使用到-192℃。奧氏體不銹鋼、鎳、蒙乃爾合金、哈氏合金、鈦、鋁合金及青銅可以使用到更低的溫度（-273℃）。
        除此以外，低溫閥門的材料選用還應考慮以下一些因素：
        1） 閥門的低使用溫度；
        2） 金屬材料在低溫下保持工作條件所需要的力學性能，特別是沖擊韌性、相對延伸率及組織穩(wěn)定性；
        3） 在低溫及無油潤滑的情況下，具有良好的耐摩性；
        4） 具有良好的耐蝕性；
        5） 采用焊接連接時還需考慮材料的焊接性能。
     （2） 閥體、閥蓋、閥座、閥瓣（閘板）材料的選用
        這些主體零部件材料的選用原則大致是：溫度高于-100℃時選用鐵素體鋼；溫度低于-100℃時選用奧氏體鋼；低壓及小口徑閥門可選用銅和鋁等材料。設計時根據(jù)低使用溫度選擇適當?shù)牟牧稀?br />（3） 閥桿及緊固件的材料選用  
        溫度高于-100℃時，閥桿和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金鋼，經(jīng)適當?shù)臒崽幚恚蕴岣呖估瓘姸群头乐孤菁y咬傷等。溫度低于-100℃時，采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低，會造成閥桿與填料相互擦傷，致使填料處泄漏。所以，閥桿表面必須鍍硬鉻（ 鍍層厚0.04-0.06mm），或進行氮化和鍍鎳磷處理，以提高表面硬度。為防止螺母與螺栓咬死，螺母一般采用Mo鋼或Ni鋼，同時在螺紋表面涂二硫化鉬。
        2、低溫閥墊片、填料材料的選用
        隨著溫度降低，氟塑料收縮量很大，會使密封性能下降，容易引起泄漏。石棉填料無法避免滲透性泄漏。橡膠對液化天然氣有泡脹性，在低溫下不可采用。
        在低溫閥門設計中，一方面由結(jié)構(gòu)設計來保證使填料處于接近環(huán)境溫度下工作，例如，采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠些，另一方面在選擇填料時要考慮填料的低溫特性。低溫閥中一般采用浸漬聚四氟乙烯的石棉填料。
        柔性石墨是新近發(fā)展起來的一種優(yōu)良的密封材料。這種材料對氣體、液體均不滲透，在厚度方向有10%-15 %的彈性，較低的緊固壓力就可達到密封。它還有自潤滑性，用作閥門填料可以防止填料與閥桿的磨損。柔性石墨填料使用溫度范圍為—200~870℃。
性能的要求
低溫閥門在市面上的發(fā)展快速，但也存在著一些問題。低溫閥門產(chǎn)生泄漏的原因主要有兩種情況，一是內(nèi)漏；二是外漏。 
    1） 閥門產(chǎn)生內(nèi)漏主要原因是密封副在低溫狀態(tài)下產(chǎn)生變形所致。當介質(zhì)溫度下降到使材料產(chǎn)生相變時造成體積變化，使原本研磨精度很高的密封面產(chǎn)生翹曲變形而造成低溫密封不良。我們曾對DN250閥門進行低溫試驗，介質(zhì)為液氮（-196℃）蝶板材料為1Cr18Ni9Ti（沒經(jīng)過低溫處理）發(fā)現(xiàn)密封面翹曲變形量達0.12mm左右，這是造成內(nèi)漏的主要原因。  ^
    新研制的蝶閥由平面密封改為錐面密封。閥座是一個斜圓錐橢圓密封面，與嵌裝在蝶板上的正圓形彈性密封環(huán)組成密封副。密封環(huán)可在蝶板槽內(nèi)徑向浮動。當閥門關(guān)閉時，彈性密封環(huán)首先和橢圓密封面的短軸接觸，隨著閥桿的轉(zhuǎn)動逐漸將密封環(huán)向內(nèi)推，迫使彈性環(huán)再和斜圓錐面的長軸接觸，終導致彈性密封環(huán)與橢圓密封面全部接觸。它的密封是依靠彈性環(huán)產(chǎn)生變形而達到的。因此當閥體或蝶板在低溫下產(chǎn)生變形時，都會被彈性密封環(huán)來吸收補償，不會產(chǎn)生泄漏和卡死現(xiàn)象。當閥門打開時這一彈性變形立即消失，在啟閉過程中基本沒有相對磨擦，故使用壽命長。 
    2） 閥門的外漏：其一是閥門與管路采用法蘭連接方式時，由于連接墊料、連接螺栓、以及連接件在低溫下材料之間收縮不同步產(chǎn)生松弛而導至泄漏。因此我們把閥體與管路的連接方式由法蘭連接改為焊接結(jié)構(gòu)，避免了低溫泄漏。其二是閥桿與填料處的泄漏。一般多數(shù)閥門的填料采用F4，因為它的自滑性能好、摩擦系數(shù)小（對鋼的摩擦系數(shù)f=0.05～0.1），又具有*的化學穩(wěn)定性，因此得到廣泛應用。但F4也有不足之處，一是冷流傾向大；二是線膨脹系數(shù)大，在低溫下產(chǎn)生冷縮導致滲漏，造成閥桿處大量結(jié)冰，至使閥門開啟失靈。為此研制的低溫蝶閥采用自縮密封結(jié)構(gòu)即利用F4膨脹系數(shù)大的特點，通過予留的間隙達到常溫、低溫都可以密封的目的。 
四、閥體、閥桿軸襯的設計要求： 
    1） 低溫閥門殼體結(jié)構(gòu)形狀。材料選擇的正確與否對閥門的正常可靠工作有著極其重要的意義。蝶閥的結(jié)構(gòu)特點與截止閥、閘閥相比，不但避免了因形狀不規(guī)則，殼體壁厚不均勻，在低溫下產(chǎn)生的冷縮，溫差應力所引起的變形，而且由于蝶閥體積小，閥體形狀左右基本是的稱的，因而熱容量小；予冷量消耗也小；形狀規(guī)則又便于對閥門的保冷措施。如新研制的DD363H型碟閥為保證閥門在低溫下的可靠使用，*按照低溫閥的特殊性進行設計和制造，如：殼體材料選擇了具有立方晶格的1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼等。 
    2） 閥桿襯套的選擇： 根據(jù)用戶反映，有些低溫閥門在運行當中，閥門的轉(zhuǎn)動部位發(fā)生粘滯，咬合現(xiàn)象時有發(fā)生，主要原因是：配對材料選擇不合理，予留冷間隙過小，以及加工精度等原因所致。在研制低溫閥門時，采取了一系列措施，防止出現(xiàn)以上現(xiàn)象。例如：我們對閥桿上、下軸襯選用了具有摩擦系數(shù)小及自潤滑性能的SF-1型復合軸承，這樣可以適用于低溫閥門的一些特殊需要。 
    金屬密封型蝶閥具有的特點是一些普通閥門所不具備的。尤其是流阻小、密封可靠、啟閉迅速、使用壽命長等。本公司研制的三偏心金屬密封蝶閥的密封力來自彈性環(huán)的變形達到密封，因而不需要借助介質(zhì)作用力，故可做雙向密封用。根據(jù)蝶閥的一些特點將會被更多的人所重視。今后也會有更多的蝶閥應用到低溫設備中。 

 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(chǎn)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。  
    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(jié)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(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)、散熱面積等因素有關(guān)，計算比較繁瑣，一般由實驗法求得。通常情況下，可以按表2來確定。    

    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(guān)閉后，殘留在閥體中腔的低溫介質(zhì)從周圍環(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。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(cè)（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(zhì)流向。  
    4.4 上密封裝置的設計  
    在閥門全開時，阻止工作介質(zhì)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(zhì)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(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(zhì)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。  

   隨著工業(yè)技術(shù)的飛躍發(fā)展，對閥門行業(yè)提出了更嚴格的要求，尤其對低溫介質(zhì)中所使用的蝶閥，除了能滿足一般閥門所具有的性能之外，更重要的是在低溫狀態(tài)下閥門密封的可靠性，動作的靈活性以及對低溫閥門的一些其它特殊要求。 
    隨著工業(yè)技術(shù)的飛躍發(fā)展，對閥門行業(yè)提出了更嚴格的要求，尤其對低溫介質(zhì)中所使用的蝶閥，除了能滿足一般閥門所具有的性能之外，更重要的是在低溫狀態(tài)下閥門密封的可靠性，動作的靈活性以及對低溫閥門的一些其它特殊要求。 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(jié)構(gòu)，避免低溫對閥門正常工作的不良影響。
    *，蝶閥具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕（與相同壓力，相同通徑的閘閥相比可減輕40%～50%）流體阻力小、啟閉迅速等一系列優(yōu)點。但我國一些低溫裝置如天燃液化設備、空氣分離設備以及變壓吸附設備等化工行業(yè)所采用的閥門有80%以上是截止閥或閘閥，采用蝶閥的數(shù)量很少。分析其原因主要*的金屬密封蝶閥在低溫狀況下密封性能不良，以及其它一些因結(jié)構(gòu)不合理等原因造成介質(zhì)內(nèi)漏和外漏，嚴重的影響這些低溫設備的安全和正常運行，不能滿足低溫設備的要求。 

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(jié)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(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 
    根據(jù)我國低溫裝置的不斷發(fā)展，對低溫閥門的要求日益增大，為適應市場經(jīng)濟發(fā)展的需要，對金屬密封蝶閥進行結(jié)構(gòu)上的改進，研制出一種三偏心純金屬高密封性能的蝶閥（圖一、現(xiàn)已申報國家）無論介質(zhì)是高溫還是低溫均能滿足其需密封性對閥門是至關(guān)重要，因此在其生產(chǎn)過程中這是需要注意的地方.與本論文相關(guān)的論文：如何正確選用低溫閥門