1  前言

      低溫閥門是石油（yóu）化工（gōng）、煤化工、空氣分離、天然氣、煙草等（děng）工業不可缺少的重（chóng）要設備之一, 其性（xìng）能和可靠性直接影響這些工業成套設備的安全和經濟運（yùn）行。低溫閥（fá）門所控製的介質除了液氮和液態惰性氣體（tǐ）外, 大部分介質易燃、易爆、滲透性強（qiáng）。最低溫度- 269 ℃ ( 液氦) 、最高使用壓力10MPa。如（rú）此苛刻的工作（zuò）條件對（duì）低溫閥門（mén）提出了特（tè）殊的（de）要求, 其設計、製造和檢驗均與普通閥門有不同之處。在低溫（wēn）工況下要求閥門必須克服三大危險因素, 即閥門在啟閉過程中殘留（liú）在中腔（qiāng）的低溫介質因環境 ( 大氣) 溫度引起急速汽（qì）化而導致的（de）異常升壓;低溫向填料函傳導引起填料失效, 從而引起填料函處泄（xiè）漏; 承壓件抵抗（kàng）低溫衝擊的能力。隨著現代科技的（de）發展, 低溫裝置的規模不斷擴大, 低溫閥門的需求量也越來越大。

      2  低溫閥門的設計（jì）

      低溫閥門不僅要有（yǒu）良好的密封性, 結構上要能防止低溫對（duì）填料的影響, 克服在低溫條件下材（cái）料（liào）的變形和熱應力集中可能對（duì）閥門的破壞, 同時能及時排泄異（yì）常升壓, 特別是所選用的低溫鋼要有良好的（de）耐（nài）衝擊性能。

      2.1  閥體設計

      低溫（wēn）工況下閥體所承受（shòu）的（de）溫度應力（lì）、連（lián）接管道的膨脹和收縮附（fù）加應力都很大, 要保持閥門密封副不發生變形, 殼體的（de）剛度（dù）很重要。此外, 為了防止低溫時應力集中的脆（cuì）性破壞, 殼（ké）體（tǐ）中的（de）尖角、凹槽等應盡量避（bì）免。為了保證閥體剛度, 壁厚按式( 1 ) 計算或參照（zhào）ANSIB16.34 選取。

      2.2 長（zhǎng）頸閥（fá）蓋的設計

      從低溫閥（fá）門的泄漏（lòu）情況分析, 填料處易發生泄漏。為了克服低溫對填料的影響采用長頸（jǐng）閥蓋結構, 使填料函的工作溫度接近周（zhōu）圍環境（jìng）溫（wēn）度。圖1 是低溫閥門閥蓋頸部的基本結構與溫度分布。頸部長（zhǎng）度L 是指填料函底部到上密（mì）封座上平麵之間（jiān）的距離。根據低溫傳熱學原理得出結構設計公式。

      當填料幾何尺寸（cùn）較小時( 小口徑低溫閥) 。忽略填料（liào）的影響, 頸部（bù）長度為

      當已（yǐ）知材料的導熱係（xì）數、對（duì）流傳熱係（xì）數以及長頸閥蓋的幾何尺寸時, 可根（gēn）據式( 2) ~ ( 5) 算（suàn）出頸部的最小長度L , 也可參照表1 選取L 。另外, 根據（jù）工（gōng）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（wēn）閘閥中,當閘閥（fá）關閉時, 殘留在中腔的低溫液體會因環境溫度的（de）影（yǐng）響而迅速汽化, 在中腔產生不正常的異常升壓。它可以導致（zhì）低溫閥門填料處泄漏及中法蘭連接（jiē）處破壞, 甚（shèn）至導致閥門啟閉件卡死, 閥體或閥蓋破裂。解決該問題的方法是增（zēng）加平衡係統。對中小（xiǎo）口徑低溫閥( DN≤ 300mm) 在閘板（bǎn）上開設平衡孔( 圖2) , 對於大口徑低溫閥增加旁路係統。當異常升壓發生（shēng）時, 可以通過平衡係統排泄到管路係統, 以此消除對（duì）閥門的不利影響。低溫閥門增（zēng）加了平衡孔或旁路係統時, 閥體上必須帶（dài）有指明流（liú）向的箭頭, 安裝時必須（xū）注意。

      2.4 低溫閥門材料選擇

      在低溫條件下, 材料的抗拉（lā）強度和硬度提高, 塑性和韌性降低。材料將產生低溫脆（cuì）性,甚至發生體積變化（huà）, 給閥門的安（ān）全使用帶來影響。因此（cǐ）, 在選擇低溫用材料時必須考慮（lǜ）閥門（mén）的工作溫度, 材料的低溫韌性（xìng）以及組織穩定性。鐵素體類低溫鋼的韌性在低溫（wēn）下變化較大, 必（bì）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會發生馬氏體相變, 引起閥（fá）門變形（xíng）, 導致閥門漏泄。所以, 低溫閥門要按最低工作溫度選擇材料, 同時要根據工況（kuàng）條件（jiàn）對材料做衝擊試驗（yàn）和適（shì）當的低溫處理。材料選擇推薦按表2。

      3  低溫閥門製造

      低溫閥門（mén）屬於特殊閥門, 在製造上除了與普通閥門有許多相同之處外, 針對（duì）低溫工況還有許多（duō）特殊要求。如材料的低溫處理、衝擊試驗（yàn）及結（jié）構等。

      3.1  毛坯件

      低溫閥（fá）門的主要毛坯件是閥體、閥蓋（gài）和閥瓣等。根據溫（wēn）度主要選用兩大類低溫鋼, 即鐵素體類( ASTM A352/ A352M) 和奧氏體類 (ASTM A351/ A351M) 。鐵素體鋼在低溫下脆性增大。奧氏體鋼在（zài）一定低溫下發生馬氏體相變, 引起金屬組織體積變化（huà）。對此, 鐵素體低溫鋼( LCB、LC3) 除了（le）做普通的力學性能試驗外, 要按ASTM A352/ A352M 的要求, 在最低使用（yòng）溫度下做V 型缺口（kǒu）夏比衝擊試驗。3個試驗（yàn）中的單個試樣最小（xiǎo）值akk≥16 ( J) , 3 個（gè）試樣均值ak ≥20 ( J) 。奧氏體低溫鋼( CF8、CF8M) 衝擊試驗可根據用戶的要求而定, 但必（bì）須做低溫處理, 以消除相變的影響。處理（lǐ）溫度要（yào）低於相（xiàng）變點( MS) 或更低, 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不經適當的熱處理其衝擊值是達不到要求的。如果（guǒ）衝擊（jī）值達（dá）不到要求, 在（zài）低溫下使用是非常危（wēi）險的。

      3.2  密封麵加工

      低（dī）溫介質對密封麵很少（shǎo）有潤滑作（zuò）用。在（zài）閘閥中, 為了防（fáng）止密封麵擦傷和咬死, 必須在（zài）閘板和閥座（zuò）密封麵上堆焊硬質合金( Co-Cr-W) ,以提高表麵硬度和耐磨性。堆焊前的加工麵精度要達到Ra3.2 左右, 所有（yǒu）尖角（jiǎo）或銳邊需倒圓R1。堆焊時先去除油汙及鏽斑, 以（yǐ）保證堆焊層的質量。堆焊層的形（xíng）狀和具體要求見圖3和表3。為了防止低溫下閥體（tǐ）或閥瓣變形對（duì）密封性（xìng）能的影響（xiǎng）, 必須先將閥體（tǐ）或閥（fá）瓣進行低溫處理( 保溫2~ 6h) , 然後加工密封麵（miàn）和研磨,加工後的密封麵粗糙度應達到Ra 0.2。

      3.3  閥杆、填料、中法蘭墊片（piàn）、上密封座

      閥（fá）杆直接與填料接觸, 並帶動閥瓣運（yùn）動,其表麵硬度、橢圓度、粗糙度等影響填料的密封性。因此橢圓度應達到10 級以上, 粗糙度不低於Ra0.4。為了提高硬（yìng）度, 可以進行表麵鍍鉻處理, 鍍層厚度0.02~ 0.05mm, 這樣做可以降低閥門的啟閉扭矩。

      閥杆（gǎn）和填料函的尺寸采用API 600 標準的規定, 填料（liào）的材質和形（xíng）狀必須適應低（dī）溫條件下介質的要（yào）求。低溫介質的（de）分子量（liàng）都較小, 易泄漏。裝配填料時必須逐層壓實, 使填料對填料（liào）函內壁和閥杆（gǎn）表麵的壓（yā）力增加, 達到良（liáng）好的密（mì）封效果（guǒ）, 填料選擇（zé）見表2。為了工作中便於更換填料（liào）, 低溫閥（fá）必須采用上密封結構, 上密封座材質的機械性能不應低於基（jī）體。

      低（dī）溫閥門用的墊片必（bì）須（xū）在常溫（wēn）、低溫以及溫度循環變化情況下（xià）具有可靠的密封性和複原（yuán）性。墊片材料在低溫（wēn）下會硬化和塑性降低, 故應選擇隨溫度變化小的材料（liào）。

      3.4  緊固件

      低溫閥門用螺栓和螺母材料必須注意低溫下（xià）的衝擊韌性, 當選用奧氏體鋼時, 由於其屈服點低和容易（yì）咬死, 所以須經冷作硬化, 同時（shí）在螺紋部位塗二硫化鉬才可使用。另外, 在螺栓螺紋根部（bù）容易引起應力集中, 故應將螺栓整體製成螺紋。連接閥體和閥蓋的螺（luó）栓在複合載荷作用下容易產生疲勞（láo）破壞（huài）, 應用扭矩扳（bān）手旋緊螺母, 以保證螺栓受力均（jun1）勻。

      4  低溫閥門檢驗

      低（dī）溫閥門不僅要做常規檢驗, 還要做（zuò）低溫試驗。關於材（cái）料的試（shì）驗、無損檢測、毛坯件判廢等（děng）按有關標準和用戶的要（yào）求進行。本文僅（jǐn）就低溫閥整機性能檢驗進行說明。

      4.1 常規檢驗

      如果是標準（zhǔn）的（de）長期批量生產的低溫閥門,應做殼體水壓強度試驗, 水壓和氣壓密封試驗（yàn）, 以及啟（qǐ）閉和扭矩（jǔ）試驗, 並記錄啟閉扭矩和具體（tǐ）的試驗壓力和時間( 表4、5) 。試驗時按ANSI B16.34 或用戶（hù）提出的標準進行。如果用戶提出（chū）同時做低溫試驗, 應（yīng）滿足（zú）用戶要求.

      4.2 低溫試驗

      如（rú）果（guǒ）是試製的新產（chǎn）品或用戶提出（chū）要求, 必須做低溫試驗。低溫性能（néng）試驗的目的（de）是檢驗低（dī）操作性能要求閥門啟閉靈活, 移動件和密封副不得發生擦傷或咬死; 密封（fēng）性能要求閥門密封麵泄漏量小於允許泄漏量< q>。 

      4.3  低（dī）溫（wēn）試驗方法（fǎ）

      圖4 為低溫試（shì）驗流程, 原理是先將液氮充入冷卻槽, 然後按比例充入無水（shuǐ）酒精並攪拌,當控製台測溫器達（dá）到被測閥門的工況溫度時,將被測閥門放入冷卻槽（cáo）, 達到溫度（dù）平衡後立即進（jìn）行測試。操作性能合格後往閥門腔體內充1.0MPa 的氮氣或氦氣（qì）, 在出口側測量泄漏量。

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

      氮的臨界溫（wēn）度（dù）為- 137℃ , 臨（lín）界壓力3.3MPa,即在溫度- 137 ℃ 、壓力3.3MPa 的條件下,氮氣將發生相變（biàn）, 由氣體（tǐ）變成液體。根據氮的T-S 圖, 1.0MPa 的（de）氮（dàn）氣在（zài）- 151 ℃ 左右的條（tiáo）件下發生液（yè）化, 這種情況（kuàng）下難以準確地測（cè）出閥門的密封性能。所以, 當試驗溫度大於- 150 ℃時用氮氣。當試驗溫度小於（yú）或等於- 150 ℃ 時用氦氣。

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

      ① 試驗後零部件情況;

      ② 中法蘭和（hé）填料函緊固（gù）件的緊固力值;

      ③ 泄漏率;

      ④常規試驗和低溫試驗結果的對比;

      ⑤溫度測量結果;

      ⑥啟閉情況和力矩;

      ⑦ 閥門的參數（shù）、工況溫（wēn）度等;

      ⑧試驗期間所做的其他測量和觀察。