低温阀门设计技术研究及分析

深化武器

    低温阀门是指能够在低温工况下使用的阀门，通常把工作温度低于-40℃的阀门称为低温阀门。低温阀门是石油化工、空气分离、天然气等工业不可缺少的重要设备之一，其质量的优劣决定着能否安全、经济、持续地生产。随着现代科技的发展，低温阀门的用途越来越广，需求也越来越大。

      目前，国内低温阀门生产能力较差。从材料上看，国外有CF8、LCB、LF1、F304等十多种，可以适用于不同的温度和介质，且都制定了相关标准，不仅规定了铸锻件的尺寸和外观质量要求，还对铸锻件的化学成分、热处理、力学性能、物理性能、焊补、焊后热处理、探伤、晶间腐蚀试验（奥氏体钢）、冲击试验（低温阀门）等做了严格的技术要求。而国内标准就相对简单，对一些具体问题的规定不够详细。此外，国产低温阀门在技术水平、寿命、可靠性、配套能力等方面还与国外产品存在较大差距，因此目前国内使用的低温阀门绝大部分依赖进口。鉴于国内在低温阀门研究开发方面存在的不足，笔者对低温阀门进行了较系统的研究，现阐述如下。

    1 低温阀门的一般设计要求

    低温阀门工作条件苛刻，其工作介质大部分为易燃、易爆、渗透性强的物质，最低工作温度可达-269℃，最高使用压力达10MPa。因此，低温阀门的设计、制造、检验与通用阀门相比有很大的区别。一般，根据低温阀门的使用工况，对设计工作提出以下几点要求：

   （1）阀门及其组合件在低温介质及周围环境温度下应具有长时间工作的能力（一般为10年或是3500~5000次循环）；

   （2）阀门相对于低温介质，不应成为一个显著热源，这是因为热量的流入会降低热效率，而且热量流入过多，还可能使阀门内部的低温介质汽化，产生异常升压，造成危险；

   （3）低温介质不应对手轮的操作性能和填料的密封性能产生有害影响；

   （4）直接和低温介质接触的阀门组合件的结构应当符合相关的防爆和防火要求；

   （5）在低温状态下工作的阀门组合件不能润滑，所以需要采取措施，防止摩擦部件被擦伤。

    上述要求应当贯穿低温阀门设计过程的始终，另外应当注意到上述要求是对低温阀门特有的要求，在低温阀门的设计过程中还应当同时遵守相关的通用阀门的要求。

    2 低温阀门技术水平的评价指标

    在低温阀门设计过程中，除了需要考虑低温阀门的流通能力和流道阻力等一般性要求外，还需要考虑一些其他指标，以便更好地对低温阀门的技术水平进行评价。通常通过衡量能量消耗是否合理来对低温阀门的技术水平进行评价，其主要评价指标有以下几项。

    2.1 低温阀门的绝热性能

    可以利用阀门进入低温介质的热流流量Q1与所通过的低温介质的质量比来衡量低温阀门的绝热能力。但在介质种类不变，仅流速发生变化时，其值就会变化，因此用这种方法作为评价低温阀门绝热能力的指标显然是不合适的。可以采用指标KT作统一比较。

      （1）

    式中　P--单位时间内进入低温介质的热量，W，P=Q1/T；

    αT--比例系数，考虑到低温阀门一般在液氮中进行试验，故取αT=0.0216；

    ΔT--周围环境温度（20℃）与低温介质温度之间的差值，℃；

    DN--阀门的公称通径，m。

    KT值对于同一种介质近似常数，只和阀门本身性质有关。

    2.2 低温阀门的冷却性能

     低温阀门的冷却性能是指低温阀门从常温冷却到工作温度的能力。这一性能可以利用阀门在上述过程中所消耗的能量，即在上述过程中阀门传给低温介质的热量Q2来衡量。对于周期性工作的低温阀门来说冷却性能指标有着极其重要的意义。但仅仅用Q2来衡量低温阀门冷却性能是不够的，可采用如下指标：

        （2）

    2.3低温阀门启闭密封件的工作性能

     在低温条件下，密封件的性能往往遭到破坏，为了实现可靠密封，必须采用合理的密封结构或者加大密封比压。因此，需要对密封效果进行评价。

     可以采用与泄漏量有关的参数来衡量低温阀门的密封能力，即：

      （3）

    式中ΔV--在工作寿命期限内气体的平均渗漏量，m3/s，

    2.4 低温阀门表面不结冰的条件

     低温阀门工作时，其表面不应结露，更不应结冰。阀门外表面是否结冰首先取决于周围空气温度和零部件表面温度之间的差值ΔT1，其次取决于空气的露点温度。事实上，在全天候条件下，彻底消除结露是很困难的。但是如果ΔT1满足一定条件，结冰的可能性就会大大降低，则阀门表面不结冰的条件为ΔT1≤5℃。

     表1为低温阀门的一些技术水平指标。可以看出随着公称直径的增大，阀门的性能有所改善。所以对Kr，Km指标的要求应当根据公称通径的不同而有所变化。Km的值还取决于阀门的类型、阀门壳体的材料及其组件的结构完善程度等要素。一般来说，蝶阀的Km指标最佳，但是蝶阀的低温密封性能不是很好，因此只用来调节介质流量；截止阀和闸阀的性能次之，且低温密封性能较好，在工业现场常用来切断介质。

    表1 气动式真空绝热低温阀门技术水平指标

    3 低温阀门零部件材料选择

    低温条件下，材料的抗拉强度和硬度提高，塑性和韧性降低，并且呈现出不同程度的低温脆性，严重影响阀门的正常工作。因此在低温阀门零部件材料的选择上，必须注意以下几点：

   （1）阀门的最低工作温度；

   （2）保证零件在低温下不失去工作能力所必需的机械性能，特别是低温冲击韧性、相对延伸率和组织稳定性等；

   （3）保证零件符合低温介质防爆性的相容条件，

   （4）保证零件所必须的热物理性能，其中包括导热性能、冷收缩性能等；

   （5）保证零件在低温及无油润滑的条件下具有必需的耐磨性；

   （6）保证零件具有必需的耐腐蚀性；

   （7）采用焊接时还要考虑材料的焊接性能。

    3.1阀体、阀盖、阀座、启闭件等的材料选择

    温度高于-100℃时可选用铁素体不锈钢，温度低于-100℃时选用奥氏体不锈钢，低压和小口径阀门可选用铜合金或铝合金。

    3.2 阀杆材料选择

    采用奥氏体不锈耐酸钢制造，需经过适当的热处理，以提高抗拉强度，同时必须镀硬铬（镀层厚度0.04~0.06mm），或进行渗氮处理，以提高表面硬度。

    3.3 紧固件材料选择

    温度高于-100℃时，螺栓材料采用Ni、Cr-Mo等合金钢，需经适当的热处理，以防止螺纹咬伤；温度低子-100℃时，螺栓材料可采用奥氏体不锈钢。螺母材料一般采用Mo钢或Ni钢，同时螺纹表而涂二硫化钥。

    3.4 垫片材抖选择

    使用温度高于-196℃，低温最高使用压力为3MPa时，可采用长纤维自石棉制成的石棉橡胶板；使用温度高于-196℃，低温最高使用压力为5MPa时，可采用不锈钢带石棉缠绕式垫片、不锈钢带聚四氟乙烯缠绕式垫片或不锈钢带膨胀石墨缠绕式垫片。

    这里需强调一下，所有低温材料部件在精加工之前必须进行深冷处理，以减小低温阀门在低温工况下的收缩变形。

    4 低温阀门结构设计

    低温阀门的结构与通用阀门存在一定差异，在低温阀门的结构设计过程中，除了要考虑阀门结构的一般性要求外，还需要重点解决以下一些问题：

   （1）低温阀门关闭后，残留在阀体中的低温介质因温度升高而迅速气化，造成阀体内部异常升压的问题；（2）低温对填料函密封性能的不利影响；（3）零部件冷变形对阀门的有害影响；（4）低温介质对零部件的防爆要求等。

     还应当注意到低温阀门除了在低温介质下工作外，同样要在周围环境温度下工作，即在20℃左右的温度下工作，在设计阀门元件时，特别在设计启闭密封件时必须考虑到这点。

     根据工作现场的实际需要，对低温阀门的结构设计提出以下基木要求：

    （1）阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩，且阀座部分的结构不会因温度变化而产生永久变形；

    （2）采用能保护填料函的长颈阀盖结构；

    （3）采用无论温度如何变化均能保持可靠密封的阀瓣，例如闸阀采用弹性闸板和开式闸板、截止阀采用锥形阀瓣等，

    （4）采用上密封结构；

    （5）采用钻铬钨硬质合金堆焊结构的阀座、阀瓣密封面；

    （6）采用泄压孔防止异常升压，泄压孔开设位置视阀门结构而定，可以设在阀体上，也可以设在闸板上。

    4.1 低温阀门阀体的设计

    阀体是阀门的主要受压部件，必须有一定的强度才能保证阀门的正常工作。在低温工况下，阀体所承受的低温应力、膨胀和收缩附加应力都很大，要保持阀门密封副不发生变形，阀体必须有一定的刚度。同时，要防止低温应力集中产生的破坏，应尽量避免在阀体中出现尖角、凹槽等。

     阀体壁厚可按公式（4）计算或参照ASME B16.34选取。

        （4）

    式中t--阀体计算壁厚，mm；

    P--阀体最高工作压力，MPa；

    DN--阀门公称通径，mm；

    σ--材料的许用应力，MPa，

     计算结果应满足t≥tm，tm为ASME B16.34中所对应的最小壁厚。当tm时，取t=tm。此外，还可以根据需要适当加大壁厚尺寸。

    4.2 低温阀门长颈阀盖的设计

     低温阀门需要采用长颈阀盖结构，其日的是减少外界传入装置中的热量；保证填料箱部位的温度在0℃以上，使填料可以正常工作；防止因填料函部分过冷而使处在填料函部位的阀杆以及阀盖上部的零件结霜或冻结。

     长颈阀盖的设计主要是颈部长度L的设计，L指的是填料函底部到上密封座上表面的距离（如图1），它和材料的导热系数、导热面积及表面散热系数、散热面积等因素有关，计算比较繁琐，一般由实验法求得。通常情况下，可以按表2来确定。

    表2 长颈阀盖颈部长度

    在工业应用中，可以根据现场实际情况（如保温、操作空间、位置等）的需要，适当的加长颈部尺寸。

    4.3 泄压部件的设计

     异常升压的问题一般只存在于低温闸阀中。当闸阀闸板关闭后，残留在阀体中腔的低温介质从周围环境中大量吸收热量，迅速汽化，在阀体内产生很高的压强。异常升压的危害很大，它可能将闸板紧紧地压在阀座上，导致闸板卡死，使阀门不能正常工作，也可能冲坏填料和法兰垫片，甚至引起阀体爆炸。因此必须采取措施加以避免。

     常用的措施是设计泄压孔和设置旁路系统。对小口径阀门（DN≤300mm）可以直接在闸板靠近高压侧（即进口端）设计一个泄压孔，对于大口径阀门则需增加旁路系统。对于增加了泄压孔或旁路系统的低温阀门必须标明介质流向。

    4.4 上密封装置的设计

     在阀门全开时，阻止工作介质向填料函处泄漏的一种装置称为L密封装置。

     上密封装置有两个作用。第一，上密封装置可以减小工作介质对填料的损坏。工业阀门在绝大多数工作时间处于开启状态，如无上密封装置，则介质压力直接作用于填料。填料长期处于受压状态，易老化。第二，当填料处有泄漏时，全开阀门，使上密封装置处于工作状态，就可以带压进行填料更换。因此，对于闸阀和截止阀都规定要有上密封装置。

     上密封面可用在阀盖上堆焊钻铬钨硬质合金，然后精加工、研磨而成的工艺制得（对于奥氏体不锈钢材料的阀盖，可直接在阀盖上加工上密封面），也可在专门的上密封座上研磨而成。

     总之，在低温阀门的设计过程中要综合考虑低温对阀门的各种影响，采用合理的结构，避免低温对阀门正常工作的不良影响。

    5 低温阀门的检验

     低温阀门除了要做常温检验外，还必须做低温试验。

     常温检验主要包括壳体水压强度试验，水压、气压密封试验，上密封试验，以及启闭和扭矩试验等。

     低温试验的主要目的是检验低温阀门在低温状态下的操作性能和密封性能。操作性能要求阀门启闭灵活，移动件和密封副不得发生擦伤和咬死。密封性能要求阀门密封面泄漏量小于允许泄漏量。

    6 结论

     低温阀门与通用阀门的工作环境有很大的区别，在低温阀门的设计、制造、检验等过程中除了要遵守阀门设计、制造、检验的一般规则外，还应当特别注意以下几点：

（1）根据最低工作温度和工作介质选择合理的低温材料；

（2）采用合理的结构，特别是防止异常升压的结构和保证良好密封的结构；

（3）在精加工前，必须对所有低温材料部件进行深冷处理；

（4）按要求进行常温试验和低温试验。