1  前言

      低溫閥門是石油（yóu）化工、煤（méi）化（huà）工、空氣分（fèn）離（lí）、天然氣、煙草（cǎo）等工業不可缺少（shǎo）的重要（yào）設（shè）備之一, 其性能和可（kě）靠性直接影響（xiǎng）這（zhè）些工業成套設備的安全和經濟運（yùn）行。低（dī）溫閥門所控製的介質除（chú）了液氮和液態惰性氣體外, 大（dà）部分介質易燃、易爆、滲透（tòu）性強。最低溫度- 269 ℃ ( 液氦) 、最高使（shǐ）用壓力10MPa。如此苛刻的工作條件對低溫閥門提出了特（tè）殊的要求, 其設計、製造和檢驗均與普通閥門（mén）有不同之處。在低溫工（gōng）況下要求閥門必須克（kè）服（fú）三大危險因素, 即閥門在啟閉過程中殘留在中腔的低溫介質因環（huán）境 ( 大氣) 溫度（dù）引起急速汽化而導致的異常升壓;低溫向（xiàng）填料函傳導引起填料失效, 從而引起填料函處泄漏（lòu）; 承壓（yā）件抵抗低溫衝擊的能力。隨著現代科技的發（fā）展, 低溫（wēn）裝置的規（guī）模（mó）不斷擴大, 低溫閥門的需求量也越來越大。

      2  低溫閥門的設計（jì）

      低溫閥（fá）門不僅要有良好的密封性, 結構上要能防止低溫對填料的影響, 克服在低溫條件下材料的（de）變形（xíng）和熱應力集中可能對閥門的破壞, 同時（shí）能及時排泄異（yì）常（cháng）升壓, 特別是所選用的（de）低溫鋼要有良好的耐衝擊性能。

      2.1  閥體設計

      低溫工況下（xià）閥體所（suǒ）承受的溫度應力（lì）、連接管道的膨脹和收縮附加應力都很大, 要保持（chí）閥（fá）門密封副不發生變形, 殼（ké）體的剛（gāng）度很重要。此外, 為了防止低溫時應（yīng）力集中的脆性破壞, 殼體中的（de）尖角、凹（āo）槽等應盡（jìn）量避免。為（wéi）了（le）保證閥體剛度, 壁（bì）厚按式( 1 ) 計算或參照ANSIB16.34 選取。

      2.2 長（zhǎng）頸閥蓋的設計

      從低溫閥門的泄漏情況分析, 填料（liào）處易發生泄漏。為了克服低溫對填料的影響采用長頸閥蓋結構, 使填料函的工作溫度接近周圍環境溫度。圖1 是低溫閥門閥蓋頸部的基（jī）本結構與溫度分布。頸部長度L 是指（zhǐ）填料函底（dǐ）部到上密封座上平麵之間的距離。根據低溫傳熱學原理得（dé）出（chū）結構設計（jì）公式。

      當填料幾何尺寸（cùn）較小（xiǎo）時( 小（xiǎo）口徑低溫閥) 。忽略填料的影響, 頸（jǐng）部長（zhǎng）度（dù）為

      當已知材料的導熱係數、對流傳熱係數以及（jí）長（zhǎng）頸閥（fá）蓋的幾何尺（chǐ）寸時, 可根據式（shì）( 2) ~ ( 5) 算出頸部的最小長度L , 也可參照表1 選取L 。另外, 根據工況和現場( 如保溫、操作空間、位置等) 需要, 可以加長頸部尺寸。

      2.3  異常升壓的防護

      異常升壓現象一般隻出現在低溫閘閥中,當閘閥關閉時, 殘留在中腔的低溫液體會因環境溫度的影響而迅速汽化, 在中腔產生不正常的異常升壓。它可以（yǐ）導致低（dī）溫閥門填（tián）料處泄（xiè）漏及中法蘭連接處破壞, 甚至導致閥門啟閉件卡（kǎ）死, 閥體或閥蓋破裂（liè）。解決該問題的方法是增加平衡係統。對中小口徑低溫閥( DN≤ 300mm) 在閘板上開設平衡孔( 圖2) , 對於大口徑低溫閥增加（jiā）旁路係統（tǒng）。當異常（cháng）升壓發生時（shí）, 可以通過（guò）平衡係統排泄到管路係統, 以此消除對閥（fá）門（mén）的不利影響。低溫閥門增加了平衡孔或旁路係統時, 閥體上必須帶有（yǒu）指明流向的箭頭, 安裝時必須注意。

      2.4 低溫閥（fá）門材料選（xuǎn）擇

      在低溫條件下, 材料的抗拉強度和硬度（dù）提高, 塑性和韌性降低。材料將產生低溫脆性（xìng）,甚至（zhì）發（fā）生（shēng）體積變化, 給閥門的安全使用帶來影響。因此, 在選擇低溫用材料時必須考慮閥（fá）門的工作溫度, 材料的低溫韌性以及組織穩定（dìng）性。鐵素體類低溫鋼的韌性在（zài）低溫下變化較大, 必須做工作溫度下的V 型缺口夏比 ( Charpy) 衝擊試驗, 奧氏體鋼在一定的低溫下（xià）會發生馬氏體相（xiàng）變, 引起（qǐ）閥門變形, 導（dǎo）致（zhì）閥門漏泄。所（suǒ）以, 低溫閥門要按最低工作溫度選擇材料, 同時要根據工況條件對材料做衝擊試驗和適當的低溫（wēn）處理。材料（liào）選擇推薦按表2。

      3  低溫閥門製造

      低溫閥門屬於特殊閥門（mén）, 在製造上除了與普通閥門有許多（duō）相同之處外, 針對低溫工況還有許多特殊要求（qiú）。如材料的低溫（wēn）處理、衝擊試驗及結構等。

      3.1  毛坯件（jiàn）

      低溫閥門的主（zhǔ）要毛坯（pī）件（jiàn）是閥體、閥蓋和閥瓣等。根據溫度主要選用兩大類低溫鋼（gāng）, 即鐵（tiě）素體類( ASTM A352/ A352M) 和奧氏體類 (ASTM A351/ A351M) 。鐵素體（tǐ）鋼（gāng）在低（dī）溫下脆性增大。奧氏體鋼在一定低溫下發生馬氏體相變, 引起金屬組織體積變化。對此（cǐ）, 鐵素（sù）體低溫鋼( LCB、LC3) 除了（le）做普通的力學性能試驗外, 要按ASTM A352/ A352M 的要求, 在最低（dī）使用溫度下做V 型（xíng）缺口夏比衝擊試驗。3個試驗中的單個試樣最小值akk≥16 ( J) , 3 個試樣均（jun1）值ak ≥20 ( J) 。奧氏體低溫鋼( CF8、CF8M) 衝擊（jī）試驗可根據用戶的要求而定, 但必須做低溫處理, 以消除相變（biàn）的影響。處理溫度要低於相變點( MS) 或更（gèng）低, 時間2~ 6h。CF8、CF8M 應嚴格按ASTM A351/ A351M 的要求處理。這裏需（xū）特別說明的是, LCB、LC3不經適當的熱處理（lǐ）其衝擊值是達不到要求的。如果衝擊值達不到要求, 在低溫下（xià）使用是非常危險的。

      3.2  密封麵加工

      低溫介質對密封麵很少有潤滑作用。在（zài）閘閥中, 為了防止密封麵（miàn）擦傷和（hé）咬死, 必須在閘板和（hé）閥座密封麵上堆焊硬質合金( Co-Cr-W) ,以提（tí）高（gāo）表麵硬（yìng）度和耐磨性（xìng）。堆焊前（qián）的加工麵精（jīng）度要達到Ra3.2 左右, 所有尖角或銳邊需倒（dǎo）圓R1。堆焊時先去除油汙及鏽斑, 以保（bǎo）證堆焊層的質量。堆焊層的形狀和具體要求見圖3和表3。為了防止低溫下閥體或閥瓣變形對密封性能的影響, 必須先將閥體或閥瓣進行低溫處理( 保溫2~ 6h) , 然後加工密封麵和研磨,加工後的密（mì）封麵粗糙度應達到Ra 0.2。

      3.3  閥杆（gǎn）、填料、中法蘭墊片、上密封座

      閥杆直接與填料接觸, 並帶（dài）動閥瓣運動,其表麵硬度（dù）、橢圓度、粗糙度等影響填料的密封性。因此橢圓度應（yīng）達到10 級以上, 粗糙（cāo）度不低於Ra0.4。為（wéi）了提高硬度, 可以進行表麵鍍鉻處理, 鍍層厚度0.02~ 0.05mm, 這樣做（zuò）可以降低閥門的啟閉扭矩。

      閥杆和填料（liào）函的尺（chǐ）寸采用API 600 標準的規定, 填料的材質（zhì）和（hé）形狀必須適應低溫條件下介質的要求。低溫（wēn）介質的分子量（liàng）都較小, 易泄漏。裝配填（tián）料時必（bì）須逐層壓實, 使填料對填料函內壁和閥（fá）杆表麵的壓力增加, 達到良好的密封效果, 填料選擇見表2。為了工（gōng）作中（zhōng）便於更換填料, 低溫閥必須采用上密封結構, 上密封座材（cái）質的機械性能不應低於基體（tǐ）。

      低溫閥門用的墊片必須（xū）在常溫、低溫以及溫度循環變化情況下具有可靠的密封性和複原性。墊（diàn）片材（cái）料在低溫下會硬化和塑性降低, 故應選擇隨（suí）溫度變（biàn）化小的材料。

      3.4  緊固件

      低溫閥門用螺（luó）栓和螺母材料必須注意低（dī）溫下的衝擊韌性, 當（dāng）選用奧氏體鋼時, 由於其屈服點低和容易咬死, 所（suǒ）以須經冷作硬化, 同時在螺紋部位塗二硫化鉬才可使用。另外, 在螺（luó）栓螺紋根部容易引起應力集中, 故應將螺栓（shuān）整（zhěng）體製成（chéng）螺紋。連接閥體和閥蓋的螺栓在複合載荷作用（yòng）下容易產生疲（pí）勞破壞, 應用扭矩扳手旋緊螺母, 以保證螺栓受力均勻。

      4  低溫閥門檢驗

      低溫（wēn）閥門不僅要做常規檢驗, 還要做低（dī）溫試驗。關於材（cái）料的試驗（yàn）、無損檢測、毛坯件判廢等按有關標準和用戶的要求進行。本文僅就（jiù）低溫閥整機性（xìng）能檢驗進（jìn）行說明。

      4.1 常規檢驗

      如果是（shì）標準的長期批量生（shēng）產的低（dī）溫（wēn）閥（fá）門,應做殼體水壓強度試（shì）驗, 水壓和氣（qì）壓密封試驗, 以及啟閉和扭矩試驗, 並記錄啟閉扭矩和具體的試驗壓（yā）力和時間( 表4、5) 。試驗時按ANSI B16.34 或用戶提出的標準進行。如果用戶提出（chū）同時做低溫試（shì）驗（yàn）, 應滿足用戶要求.

      4.2 低溫（wēn）試驗

      如果是試製的新產品或用戶提出要求, 必須做低溫試（shì）驗。低溫性能試驗的目的是檢驗低（dī）操作性能要（yào）求閥門啟閉靈活, 移動件和密封副不得（dé）發生擦傷或咬死; 密封性能要求閥門密封麵泄漏量小於允許泄漏量< q>。 

      4.3  低溫試驗方法

      圖4 為低溫試驗流程, 原理是先將液氮充入冷卻槽（cáo）, 然後按比例充入無水酒精並（bìng）攪拌,當控（kòng）製台測溫器達到被測閥門的工況溫度時（shí）,將（jiāng）被（bèi）測閥門放入冷卻槽, 達（dá）到溫度平衡（héng）後立即進行測試。操作性能合格後往閥門腔體內充1.0MPa 的（de）氮氣或氦氣, 在出口側測（cè）量泄漏量（liàng）。

      低溫閥門應在工況溫度下進（jìn）行試驗。當溫度大於- 196 ℃ 時, 由液氮和酒精（jīng）按一定（dìng）比例混合來達到低溫工況溫度。當工況溫度小於或等於- 196 ℃ 時, 直接利用工況介質。由於酒精易揮發, 試驗室和試驗裝置應全部采用防爆電器。檢漏（lòu）時用氮氣還是氦氣由試驗溫度決定。

      氮（dàn）的臨界溫度為- 137℃ , 臨界壓力3.3MPa,即在溫度- 137 ℃ 、壓力（lì）3.3MPa 的條（tiáo）件下,氮氣將發生相變, 由氣體變成液體。根據（jù）氮的T-S 圖, 1.0MPa 的氮氣在- 151 ℃ 左右的條件下發生液化, 這（zhè）種（zhǒng）情況下難以準確地測出閥門的密封性能。所以, 當試驗溫度大於- 150 ℃時用氮氣。當試驗溫度小（xiǎo）於或等於- 150 ℃ 時用氦氣（qì）。

      低溫試驗後, 應將閥門拆開（kāi）, 檢查零部件的情況, 檢查其磨損和（hé）毀壞情況, 同時完成試驗報告, 內容如下:

      ① 試驗（yàn）後零部件情況;

      ② 中法蘭和填料函緊固件的緊固力（lì）值;

      ③ 泄漏（lòu）率;

      ④常規試驗和低（dī）溫試驗結果（guǒ）的對比;

      ⑤溫度測量結果;

      ⑥啟閉情況（kuàng）和力矩;

      ⑦ 閥門的參數（shù）、工況溫度等;

      ⑧試驗期間所做的其他測量和觀察（chá）。