低溫閥門的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和安裝方法
近幾十年，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程項(xiàng)目中對(duì)低溫閥門的需求越來越多。低溫閥門在化肥、LNG 及石油化工等領(lǐng)域使用較多。
低溫閥門所控制的介質(zhì)除了液氮和其他液態(tài)惰性氣體外，大部分介質(zhì)不但易燃、易爆，而且在升溫或者閃蒸時(shí)會(huì)發(fā)生氣化，致使體積急劇膨脹，容易導(dǎo)致泄漏和爆炸。
基于介質(zhì)特點(diǎn)及適應(yīng)閥門在低溫下使用的要求，低溫閥門的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和安裝方法等均與普通閥門有不同之處。
低溫閥門的標(biāo)準(zhǔn)和定義
不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫閥門有不同定義。
英國閥門標(biāo)準(zhǔn) BS6364《低溫用閥門》適用于介質(zhì)溫度范圍為 -50℃~-196℃ ；
美國標(biāo)準(zhǔn) MSSSP-134 《對(duì)低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》對(duì)低溫的解釋為“對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)慣例來說，低溫范圍介于 -100℃~ -195℃”；
中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24925《低溫閥門技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)適用于介質(zhì)溫度范圍為 -29 ℃~ -196℃；
殼牌閥門標(biāo)準(zhǔn) SHELL MESC SPE 77/200《低溫及超低溫用閥門》適用于介質(zhì)溫度范圍為 -30 ℃~ -196℃。
國外根據(jù)各種不同氣體在常壓下的液化溫度一般分為六種溫度級(jí)。
一級(jí)為 0~ -46℃，
二級(jí)為 -47~ -60℃，
三級(jí)為 -61~ -70℃，
四級(jí)為-71~-101℃ ，
五級(jí)為-102~-196℃ ，
六級(jí)為-253℃以下。
一般將 -46~-150℃稱為低溫 ，-150℃ 以下稱為超低溫。
石化行業(yè)對(duì)低溫閥門的定義是按照輸送介質(zhì)的設(shè)計(jì)溫度來定義的，一般將應(yīng)用在介質(zhì)溫度 -40 ℃以下的閥門稱作低溫閥，應(yīng)用在介質(zhì)溫度 -101 ℃以下的閥門稱作超低溫閥門。
低溫閥門設(shè)計(jì)特點(diǎn)
1、低溫閥門的材料選擇
低溫閥門的工作介質(zhì)不僅溫度低，而且大部分或有毒，或易燃、易爆，而且滲透性強(qiáng)，因此決定了對(duì)閥門用材的諸多特殊要求。在低溫狀態(tài)下鋼的機(jī)械性能與常溫時(shí)不同，低溫用鋼，除強(qiáng)度外，最重要的指標(biāo)就是其低溫沖擊韌性。材料的低溫沖擊韌性與材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度有關(guān)，材料的脆性轉(zhuǎn)變溫度愈低，材料的低溫沖擊韌性愈好。碳鋼等體心立方晶格的金屬材料存在低溫冷脆現(xiàn)象，而奧氏體不銹鋼等面心立方晶格的金屬材料其沖擊韌性基本不受低溫影響。
低溫閥門閥體、閥蓋等耐壓零件的材料，通常采用低溫強(qiáng)度好的韌性材料，同時(shí)還要考慮焊接性、機(jī)加工性能、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等因素。
設(shè)計(jì)時(shí)，最常用的是 -46℃、-101℃和-196℃三個(gè)低溫級(jí)別。-46℃低溫級(jí)一般選用低溫碳鋼，-101℃和 -196℃低溫級(jí)一般選用 300系列奧氏體不銹鋼，這種不銹鋼有適中的強(qiáng)度、較好的韌性和較好的加工性能等。
2、低溫閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1）閥蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
低溫閥門的一個(gè)最顯注的特點(diǎn)就是其閥蓋一般為長頸結(jié)構(gòu)，在 GB/T 24925《低溫閥門技術(shù)條件》中也有明確規(guī)定 “低溫閘閥、截止閥、球閥、蝶閥的閥蓋應(yīng)根據(jù)不同的使用溫度要求設(shè)計(jì)成便于保冷的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，以保證填料函底部的溫度保持在 0℃以上”。 加長閥蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是為了使閥門操作手柄和填料函結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離低溫區(qū)，既可以避免溫度太低造成操作人員凍傷，也可以保證填料函和壓套在正常的溫度下使用，防止填料的密封性能降低，延長填料的使用壽命。因?yàn)樵诘蜏貭顟B(tài)下隨著溫度的降低，填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降，由于介質(zhì)滲漏造成填料與閥桿處結(jié)冰，影響閥桿正常操作，同時(shí)也會(huì)因閥桿上下移動(dòng)而將填料劃傷，引起嚴(yán)重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長頸結(jié)構(gòu)還便于纏繞保冷材料，防止冷能損失。由于低溫管道一般有著較厚的保冷層厚度，長頸閥蓋便于保冷施工，并使填料壓蓋處于保冷層外，有利于需要時(shí)隨時(shí)緊固壓蓋螺栓或添加填料而無需損壞保冷層。
BS6364、MSS SP-134 和 SHELL MESC SPE77/200 標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)閥蓋加長尺寸進(jìn)行了規(guī)定。其中，BS6364 規(guī)定了15～ 500帶冷箱的加長尺寸， 并規(guī)定非冷箱最小加長長度應(yīng)為250mm；MSS SP-134 則包含了15～300的帶冷箱和非冷箱的加長尺寸要求，比較而言，非冷箱加長尺寸比 BS6364 規(guī)定長，帶冷箱加長尺寸比 BS6364 規(guī)定短。SHELL MESC SPE 77/200則沒有對(duì)帶冷箱和非冷箱進(jìn)行區(qū)分，規(guī)定了15～1200在不同溫度范圍的長度 。
綜合考慮，SHELL MESC SPE 77/200 其加長長度選用范圍較寬使用比較方便可靠，如用于低溫關(guān)鍵場合可參考 SHELL MESC SPE 77/200 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)或按設(shè)計(jì)單位特殊長度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外，在進(jìn)行長度選用時(shí)還需考慮設(shè)計(jì)保冷層厚度是否大于該長度，如是則應(yīng)加長以和保冷厚度匹配。
2）滴水板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于閥門內(nèi)傳遞是低溫介質(zhì)，為了避免或減少介質(zhì)溫度向閥桿及其上端的填充材料傳遞，防止這些材料因凍結(jié)而失效，可在閥門中增加滴水板結(jié)構(gòu)。一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)這種帶有滴水板結(jié)構(gòu)的閥門進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端溫度較高。由于延長閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會(huì)液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹燭影響在線維修。此外，滴水板需設(shè)置在保冷層外側(cè)，可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部，保護(hù)保冷層及防止冷量流失。
3）泄壓部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
對(duì)于有密閉中腔結(jié)構(gòu)的低溫閥門，當(dāng)應(yīng)用在易燃、易爆且容易氣化的介質(zhì)時(shí)，對(duì)于閥門密封結(jié)構(gòu)有著特殊的要求。一些低溫介質(zhì)在汽化后其體積會(huì)升高，例如，液化天然氣汽化后的體積為液態(tài)時(shí)的六百多倍，當(dāng)閥門為閉合狀態(tài)且周圍環(huán)境溫度相對(duì)較高時(shí)，閥體內(nèi)的低溫介質(zhì)吸收環(huán)境中熱量而逐漸汽化，其體積迅速上升，導(dǎo)致閥門內(nèi)部超壓，甚至威脅到閥門的安全，導(dǎo)致介質(zhì)泄露甚至造成火災(zāi)事故，為保證閥門和工廠的安全性，此類閥門要求帶中腔自泄壓結(jié)構(gòu)，使閥門內(nèi)腔壓力異常超壓時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄放。如低溫閘閥、球閥，由于閥門密封原理不同，在泄壓設(shè)計(jì)上，會(huì)有明顯的區(qū)別。不過不同的廠家在泄壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，多有自己不同的特點(diǎn)。
4）防靜電及防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于低溫閥門一般應(yīng)用在易燃、易爆的介質(zhì)上，防靜電設(shè)計(jì)及防火設(shè)計(jì)顯得尤為重要。防靜電設(shè)計(jì)主要是以一種類似避雷針的引導(dǎo)電流方式，將閥桿與閥體導(dǎo)通，從而將靜電導(dǎo)出以消除安全隱患，保證整個(gè)系統(tǒng)的供應(yīng)安全。如GB/T 24925 明確規(guī)定 “ 用于易燃蒸氣或液體的具有軟閥座或軟的關(guān)閉插入部件的閥門，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證閥體和閥桿具有導(dǎo)電連貫性，放電路徑最大電阻不應(yīng)超過 10Ω。”。防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)因溫度劇烈變化而導(dǎo)致的介質(zhì)泄露問題而進(jìn)行的，防火結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與普通閥門的設(shè)計(jì)要求類似。
5）閥體
閥體應(yīng)能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮。而且閥座部位的結(jié)構(gòu)不會(huì)因溫度變化而產(chǎn)生永久變形。
6）閥瓣
閘閥采用撓性閘板或開式閘板；截止閥的平閥座及針形閥，采用塞子形的閥瓣。這些結(jié)構(gòu)形式不論溫度如何變化，均能保持可靠的密封。
7）閥桿
閥桿需鍍鉻、鍍鎳磷或經(jīng)氮化處理，以提高閥桿表面硬度，防止閥桿與填料、填料壓套（壓蓋）相互咬死，損壞密封填料，造成填料函泄漏。
8）墊片
墊片選用要考慮墊片材料的低溫性能，如壓縮回彈性、預(yù)緊力、緊固壓力分布以及應(yīng)力松弛特性等。
9）填料函及填料
填料函不能與低溫段直接接觸，而設(shè)在長頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠(yuǎn)的位置，在0℃以上的溫度環(huán)境下工作。這樣，提高了填料函的密封效果。在泄漏時(shí)，或當(dāng)?shù)蜏亓黧w直接接觸填料造成密封效果下降時(shí)，可以從填料函中間加入潤滑脂形成油封層，降低填料函的壓差，作為輔助密封措施。填料函多采用帶有中間金屬隔離環(huán)的二段填料結(jié)構(gòu)。但也有的采用一般閥門填料函結(jié)構(gòu)和閥桿能自緊的二重填料函結(jié)構(gòu)等其他型式。
10）上密封
低溫閥都設(shè)上密封座結(jié)構(gòu)，上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，精加工后研磨。
11）閥座、閥瓣（閘板）密封面
低溫閥的關(guān)閉件采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)。軟密封結(jié)構(gòu)由于聚四氟乙烯膨脹系數(shù)大，低溫變脆，所以僅適用于溫度高于-70℃的低溫閥，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低溫閥。
12）中法蘭螺栓
螺栓應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，這是因?yàn)槁菟ㄔ诜磸?fù)載荷下工作，常會(huì)因疲勞而產(chǎn)生斷裂。因螺栓在螺紋根部易引起應(yīng)力集中，所以最好采用全螺紋結(jié)構(gòu)的螺栓。
低溫閥門的安裝要求
因?yàn)榈蜏?b>閥門的特殊結(jié)構(gòu)，低溫閥門的安裝亦有其特殊要求。因?yàn)榈蜏?b>閥門的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，低溫閥門在安裝時(shí)閥桿閥桿方向必須在垂直向上的 45 度角范圍內(nèi)，且應(yīng)盡量避免安裝在垂直管線上。否則低溫介質(zhì)將充滿閥蓋的加長部分，造成閥門填料失效，并會(huì)將冷量傳給閥門手柄，給操作人員帶來人身傷害。對(duì)于有泄壓結(jié)構(gòu)的低溫閥門，在安裝閥門時(shí)，要特別注意閥門泄壓方向的要求。閥門泄壓的方向應(yīng)在工藝流程圖上標(biāo)出，并體現(xiàn)在管道軸測圖中。
低溫閥門產(chǎn)生泄漏的原因
內(nèi)漏：
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(dāng)介質(zhì)溫度下降到使材料產(chǎn)生相變時(shí)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。
外漏：
閥門的外漏：其一是閥門與管路采用法蘭連接方式時(shí)，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(dǎo)至泄漏。因此可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。
低溫閥門制造
對(duì)所生產(chǎn)的低溫閥門制定了嚴(yán)格的制造工藝和采用專用設(shè)備，對(duì)零件的加工進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。經(jīng)特殊的低溫處理，將粗加工的零件置于冷卻介質(zhì)中數(shù)小時(shí)（2-6小時(shí)），以釋放應(yīng)力，確保材料的低溫性能，保證精加工尺寸，以防閥門在低溫工況時(shí)，因溫度變化造成變形而導(dǎo)致的泄漏。閥門的裝配與普通閥門也不同，零件需經(jīng)過嚴(yán)格的清洗，除去任何油污，以保證使用性能。
低溫閥門試驗(yàn)和檢驗(yàn)：
對(duì)低溫閥的主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗(yàn)，以保證閥門在低溫工況時(shí)不脆裂，經(jīng)得起低溫介質(zhì)沖擊。
對(duì)每臺(tái)閥門進(jìn)行以下試驗(yàn)：
常溫殼體強(qiáng)度試驗(yàn)；
常溫低壓上密封試驗(yàn)；
常溫低壓密封試驗(yàn)；
低溫上密封氣密試驗(yàn)（有上密封時(shí)）；
低溫氣密封試驗(yàn)等，以確保整臺(tái)低溫閥門符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；
對(duì)主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗(yàn)，以保證閥門在低溫工況時(shí)不脆裂，經(jīng)得起低溫介質(zhì)沖擊；
低溫（深冷 ）閥門均按相應(yīng)材料規(guī)范進(jìn)行低溫處理和沖擊試驗(yàn)；
搞靜電功能更加強(qiáng)大，閥體與閥桿或內(nèi)件與閥體間導(dǎo)通電阻小于1歐姆。
低溫閥門試驗(yàn)設(shè)備：
低溫閥試驗(yàn)裝置
液氮儲(chǔ)存裝置
低溫處理槽
低溫閥門試驗(yàn)方法：
1、試驗(yàn)前的準(zhǔn)備
清除閥門零件的油漬，將它們擦干凈并在干凈，沒有灰塵和油漬的環(huán)境下將閥門裝配好；將螺栓擰緊到預(yù)定的力矩值和拉力值，并記錄下該值；用合適的熱電偶與閥門連接，從而能在整個(gè)試驗(yàn)過程中監(jiān)控閥門的溫度。
2、試驗(yàn)
將閥門安裝在試驗(yàn)容器內(nèi)并連接好，要確保閥門填料處在容器頂部沒有汽化氣體的位置在室溫下用規(guī)定介質(zhì)氣體以最大閥座試驗(yàn)壓力進(jìn)行初始的系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)，以確保閥門是在合適的狀態(tài)下，然后開始進(jìn)行試驗(yàn)將閥門浸入液氮中進(jìn)行冷卻，液體的水平面至少淹住閥體與閥蓋的連接部位，在整個(gè)冷卻過程中一直向閥門提供氦氣。在冷卻過程中，用安裝在適當(dāng)位置上的熱電偶對(duì)閥門的溫度進(jìn)行監(jiān)控。閥門在試驗(yàn)溫度下達(dá)到穩(wěn)定。用熱電偶測定溫度以確信閥門的溫度達(dá)到均勻。在試驗(yàn)溫度下用氦氣以最大閥座試驗(yàn)壓力進(jìn)行初始的驗(yàn)證試驗(yàn)在閥門的進(jìn)口側(cè)進(jìn)行閥座壓力試驗(yàn)，能夠雙向密封的閥門，對(duì)兩個(gè)閥座分別進(jìn)行試驗(yàn)。使閥門處在開啟位置，關(guān)閉閥門出口側(cè)的針形閥，將閥腔中的壓力升至閥座試驗(yàn)壓力。將該壓力保持規(guī)定的要求，檢查閥門填料處及閥體與蓋連接處是否泄漏，應(yīng)無泄漏。使閥門恢復(fù)室溫，再進(jìn)行常溫密封試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后，將閥門清潔、吹干，檢查合格后出廠。
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