1  前言

      低溫閥門是石油化工、煤化工（gōng）、空氣分離、天然氣、煙草等工業不可缺少的重要設（shè）備之一, 其性能和可靠性直接影響這些工（gōng）業成套設備的（de）安全和經（jīng）濟運行。低溫閥門所控製（zhì）的（de）介質除了液氮和液（yè）態惰性氣體外, 大部分介質易燃、易爆（bào）、滲透性（xìng）強。最低（dī）溫度- 269 ℃ ( 液氦) 、最高使用壓力10MPa。如此苛刻的工作條件對低溫閥門提出了特殊的要求, 其設計、製造（zào）和檢驗均與普通閥門有不同之處。在低溫工況下要求閥門必須克服三（sān）大危險因素, 即閥門在啟閉過程中殘（cán）留在中腔的低（dī）溫（wēn）介（jiè）質因環境 ( 大氣) 溫度引起急速汽化而導（dǎo）致的異常升壓;低（dī）溫向填料函傳導引起填料失效, 從而引起填料函處泄漏; 承壓件抵（dǐ）抗低溫衝擊的能力。隨著現代科技的發展, 低溫裝（zhuāng）置的規模不（bú）斷擴大（dà）, 低溫閥門（mén）的需求量也越來越大。

      2  低溫閥門的設計

      低溫閥門不僅要有良好的密封性（xìng）, 結構上要（yào）能防止低溫對填料（liào）的（de）影響, 克服在低溫條（tiáo）件下材料的（de）變（biàn）形和熱應力集中可能（néng）對閥門的破壞, 同時能及時排泄異常升（shēng）壓, 特別是所（suǒ）選用的低溫鋼要有良好（hǎo）的耐衝擊性能。

      2.1  閥體設（shè）計

      低溫工況下閥（fá）體所承受的溫度應力、連接管道的膨脹和收（shōu）縮附加應力都很大（dà）, 要（yào）保持（chí）閥門密封副不發生（shēng）變形, 殼體的剛度很重要。此外, 為了防止低溫時應力集（jí）中的脆性破壞, 殼體中的尖角、凹槽等應盡量避免。為了保證閥體剛度, 壁厚按式( 1 ) 計算或參照ANSIB16.34 選取。

      2.2 長頸閥蓋的設計

      從低溫閥門的泄漏情況分析, 填料處易發生泄漏。為了克服低溫（wēn）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（jìng）溫度。圖1 是低溫閥門閥蓋頸部的基本（běn）結構與溫度分布。頸部長度（dù）L 是指填料函底部到上密封座上平麵之間的距離。根（gēn）據低溫傳熱學原理得出結構設（shè）計公式。

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

      當已（yǐ）知材料的導熱係數、對流傳熱係數以（yǐ）及長（zhǎng）頸閥蓋的幾何尺寸時, 可根據式( 2) ~ ( 5) 算出頸部的最小長度L , 也可（kě）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（cháng）升壓現象一般隻出現在低溫（wēn）閘閥中,當閘閥關閉時, 殘留在中（zhōng）腔（qiāng）的低溫液（yè）體會因（yīn）環境溫度的影響而迅速汽化, 在（zài）中（zhōng）腔產生不（bú）正常的異常升壓。它可以導致低溫閥門填料處（chù）泄漏及中（zhōng）法蘭連接處破壞, 甚至導致閥門啟閉件（jiàn）卡死, 閥體或閥蓋破裂。解決（jué）該（gāi）問題的方法是增加平（píng）衡係統。對中小口徑低溫閥( DN≤ 300mm) 在（zài）閘板上開（kāi）設平衡孔( 圖2) , 對於大口徑低溫閥增加旁路係統。當異常升壓發生時, 可（kě）以通過平衡係統排泄到管路係統（tǒng）, 以（yǐ）此消除對閥門的（de）不利影響。低溫閥門增（zēng）加了平衡孔或旁路係統時, 閥體上（shàng）必須帶有指明流向的箭頭, 安裝時必（bì）須注意。

      2.4 低溫閥門材料（liào）選（xuǎn）擇

      在低溫條件下, 材料的抗拉強度（dù）和硬度提高, 塑性和韌性降低。材料將產生低（dī）溫（wēn）脆性（xìng）,甚至發生體積變化, 給閥（fá）門的安全使用帶來影響。因此（cǐ）, 在選（xuǎn）擇低溫用材料（liào）時（shí）必須考慮閥門的工作溫度, 材料的低溫（wēn）韌性以及組織穩定性。鐵素（sù）體類低（dī）溫（wēn）鋼的韌（rèn）性在低溫下變（biàn）化較大, 必須做工作溫度下的V 型缺口夏（xià）比 ( Charpy) 衝擊試驗, 奧氏體鋼在一定的低溫下會發（fā）生馬氏（shì）體相變, 引起閥門變形, 導致閥門漏（lòu）泄。所以, 低溫閥門要按最低工作溫度選擇材料, 同時（shí）要根據工況條件對材（cái）料做衝擊試驗和適當的低溫處理。材料選擇推（tuī）薦按表2。

      3  低溫閥門製造

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

      3.1  毛（máo）坯（pī）件

      低（dī）溫閥門的主要毛坯件是閥體、閥蓋和閥瓣等。根據溫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（sù）體鋼在低溫下脆性增大。奧氏（shì）體鋼在一定低溫下發生馬氏體（tǐ）相變, 引起金屬組織體（tǐ）積變化。對此, 鐵素體低溫鋼( LCB、LC3) 除了做普通的（de）力學性能試驗外, 要按ASTM A352/ A352M 的要求, 在最低使用溫（wēn）度下做V 型缺口夏比衝擊試（shì）驗。3個試驗中的單個試樣最小值akk≥16 ( J) , 3 個試樣（yàng）均值ak ≥20 ( J) 。奧氏體低（dī）溫鋼( CF8、CF8M) 衝擊試驗可根據用戶的要求而定, 但必須做低溫處理, 以消除相變的影響。處理溫度（dù）要（yào）低於相變點( MS) 或（huò）更低, 時間（jiān）2~ 6h。CF8、CF8M 應嚴格按ASTM A351/ A351M 的要求處（chù）理。這裏（lǐ）需特別（bié）說明的是, LCB、LC3不經（jīng）適當的熱處理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（shǐ）用是非常（cháng）危險的。

      3.2  密封麵加工（gōng）

      低溫（wēn）介（jiè）質對密封麵很（hěn）少有（yǒu）潤滑作用。在閘閥中, 為了防止（zhǐ）密封（fēng）麵擦傷和咬死, 必須在閘板和閥座密封麵上堆焊硬質（zhì）合（hé）金( Co-Cr-W) ,以提高表麵硬度和耐（nài）磨性。堆（duī）焊前的加工（gōng）麵精度要達到Ra3.2 左右（yòu）, 所有尖角或（huò）銳邊需倒圓R1。堆焊時先去除油汙及鏽斑, 以保證堆焊層的質量。堆焊（hàn）層的形狀和具體要求見圖3和表3。為（wéi）了防止低溫下閥體或閥瓣變形對密封性能的（de）影響, 必須先將閥體或閥瓣（bàn）進行低溫處理( 保溫2~ 6h) , 然後加工密封麵和研磨,加工後的密封麵粗糙度應達到Ra 0.2。

      3.3  閥杆、填料、中法蘭墊片、上密封座

      閥杆直接與填料接觸, 並帶動閥瓣運動,其表麵硬度、橢圓度、粗糙度等影響填料（liào）的密（mì）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（tí）高（gāo）硬度, 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（de）啟閉扭（niǔ）矩（jǔ）。

      閥杆和填料函的尺寸采用API 600 標準的規定, 填料的材質和形狀必須適應低溫條件下介質的要求。低溫介質的分子量都較（jiào）小, 易泄漏。裝配填料時必須逐層壓實, 使填料（liào）對填料函內壁和閥杆（gǎn）表麵的壓（yā）力增加（jiā）, 達到良好的密封效果（guǒ）, 填料選擇見表2。為了工作中便於更換填料, 低溫閥必須采用上密（mì）封結構, 上密封（fēng）座材質的機械（xiè）性能不應低於基體。

      低（dī）溫閥門用的墊片必須（xū）在常溫、低溫以（yǐ）及溫（wēn）度循環（huán）變化（huà）情（qíng）況下具有可靠的密封性和複原性（xìng）。墊片材料在低溫下（xià）會硬化和塑性降低, 故應選擇隨溫度變化小的材料。

      3.4  緊固件

      低溫（wēn）閥門用螺栓和螺母材料必須注意低溫下的衝（chōng）擊韌性, 當選用奧氏（shì）體鋼時, 由於其屈（qū）服點低和（hé）容（róng）易咬死, 所以（yǐ）須經冷（lěng）作硬化（huà）, 同時在螺紋部位塗二硫化鉬才可使用。另外, 在螺栓螺紋根部容易引起應力集中, 故應將螺栓整體製成螺紋。連接閥體和閥（fá）蓋的螺栓在複合載荷作用下容易產生疲勞破壞, 應用扭（niǔ）矩（jǔ）扳手旋緊螺母, 以保證螺栓受力均勻。

      4  低溫閥門（mén）檢驗

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

      4.1 常規檢驗

      如果是標準的長期批量生產的低溫閥門,應做殼（ké）體水壓強度試驗, 水（shuǐ）壓和氣壓密封試驗, 以及啟閉和扭矩試驗, 並記錄啟閉扭矩和具體的試驗壓力和時間( 表4、5) 。試驗時按ANSI B16.34 或用戶（hù）提出（chū）的標準（zhǔn）進（jìn）行。如（rú）果用戶提出（chū）同時做低溫試驗, 應滿足用戶要求（qiú）.

      4.2 低（dī）溫試驗

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

      4.3  低（dī）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, 然後按比例充入無水酒（jiǔ）精並攪拌,當控製台測溫器達到被測閥門（mén）的工況溫度（dù）時,將被測閥門放入冷卻槽（cáo）, 達到溫度平衡後立即進行測試。操作性（xìng）能合格後（hòu）往閥門腔體內充1.0MPa 的氮氣或氦氣, 在出口側測量（liàng）泄漏（lòu）量。

      低溫閥門應（yīng）在工況溫度下進行試驗。當溫（wēn）度大於- 196 ℃ 時, 由液（yè）氮和酒精按一定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（jiè）質（zhì）。由於酒（jiǔ）精易揮發, 試驗室和試驗裝置應全部采（cǎi）用防爆（bào）電器。檢漏時用氮氣還是氦氣由試驗溫（wēn）度決定。

      氮的臨界溫度為- 137℃ , 臨界壓力3.3MPa,即在溫度- 137 ℃ 、壓力3.3MPa 的條件下,氮氣將發（fā）生相變（biàn）, 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（xià）發（fā）生液化, 這種情（qíng）況下（xià）難以準確地測（cè）出閥門的密封（fēng）性能。所以, 當試驗溫度大於- 150 ℃時用氮氣。當試驗溫度小於或等於- 150 ℃ 時用氦氣。

      低溫（wēn）試驗後, 應將閥門拆開, 檢查（chá）零部件的情況, 檢查其磨損和毀壞情況, 同時完成試驗報告（gào）, 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（gù）力值;

      ③ 泄漏率;

      ④常（cháng）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）、工況溫度（dù）等;

      ⑧試驗期間所做的其（qí）他測量和觀察。