低溫深冷截止閥結構設計分析

一、低溫深冷截止閥結構設計分析 設計要求

低溫閥門工作條件苛刻，其工作介質大部分為易燃、易爆、滲透性強的物質，工作溫度可達-269℃，最高使用壓力達10MPa。因此，低溫閥門的設計、制造、檢驗與通用閥門相比有很大的區別。一般，根據低溫閥門的使用工況，對設計工作提出以下幾點要求：

1．閥門在低溫介質及周圍環境溫度下應具有長時間工作的能力。

2．閥門不應成為低溫系統的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內部流體急速蒸發，產生異常升壓，造成危險。

3．低溫介質不應對手輪操作及填料密封性能產生有害的影響。

4．直接與低溫介質接觸的閥門組合件應具有防爆和防火結構。

5．在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結構措施，以防止摩擦件擦傷。

二、低溫深冷截止閥結構設計分析性能指標

1．低溫閥門的 絕熱性能

可以利用閥門進入低溫介質的熱流流量Q1與所通過的低溫介質的質量比來衡量低溫閥門的絕熱能力。但在介質種類不變，僅流速發生變化時，其值就會變化，因此用這種方法作為評價低溫閥門絕熱能力的指標顯然是不合適的。可以采用指標KT作統一比較。  

2．低溫閥門的 冷卻性能  

低溫閥門的冷卻性能是指低溫閥門從常溫冷卻到工作溫度的能力。這一性能可以利用閥門在上述過程中所消耗的能量，即在上述過程中閥門傳給低溫介質的熱量Q2來衡量。對于周期性工作的低溫閥門來說冷卻性能指標有著極其重要的意義。

3．低溫閥門啟閉密封件的 工作性能  

在低溫條件下，密封件的性能往往遭到破壞，為了實現可靠密封，必須采用合理的密封結構或者加大密封比壓。因此，需要對密封效果進行評價，一般可以采用與泄漏量有關的參數來衡量低溫閥門的密封能力，

4．低溫閥門表面不結冰的條件  

低溫閥門工作時，其表面不應結露，更不應結冰。閥門外表面是否結冰首先取決于周圍空氣溫度和零部件表面溫度之間的差值ΔT1，其次取決于空氣的露點溫度。事實上，在全天候條件下，消除結露是很困難的。但是如果ΔT1滿足一定條件，結冰的可能性就會大大降低，則閥門表面不結冰的條件為ΔT1≤5℃。

三、低溫深冷截止閥結構設計分析的 材料選用

1．主體材料選用應考慮的因素

從金相考慮，金屬材料中除了具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅、鋁等以外，一般的鋼材在低溫狀態下會出現低溫脆性，從而降低閥門的強度和使用壽命。選擇主體材料時首先要選用適合于低溫下工作的材料。鋁在低溫下不會出現低溫脆性，但因鋁及鋁合金的硬度不高，鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差，所以在低溫閥門中的使用有一定的限制，僅在低壓和小口徑閥門中選用。

在低溫工作的材料要保證其低溫性能，主要是保證其冷沖擊強度。閥內件必須通過正確選材，使其具有足夠的冷沖擊強度，才能防止斷裂。C和Cr的合金鋼在低于－20℃時候很快失去抗沖擊強度，所以使用溫度分別限制在-30℃和-50℃。含Ni量為3.5%的鎳鋼可以使用到-100℃，含Ni量9%的鎳鋼可以使用到-192℃。奧氏體不銹鋼、鎳、蒙乃爾合金、哈氏合金、鈦、鋁合金及青銅可以使用到更低的溫度（-273℃）。

除此以外，低溫閥門的材料選用還應考慮以下一些因素：

（1）閥門的工作溫度；  

（2）保證零件在低溫下不失去工作能力所必需的機械性能，特別是低溫沖擊韌性、相對延伸率和組織穩定性等； 

（3）保證零件符合低溫介質防爆性的相容條件， 

（4）保證零件所必須的熱物理性能，其中包括導熱性能、冷收縮性能等；

（5）保證零件在低溫及無油潤滑的條件下具有必需的耐磨性；  

（6）保證零件具有必需的耐腐蝕性； 

（7）采用焊接時還要考慮材料的焊接性能。

2．閥體、閥蓋、閥座、閥瓣（閘板）材料的選用

這些主體零部件材料的選用原則大致是：溫度高于-100℃時選用鐵素體鋼；溫度低于-100℃時選用奧氏體鋼；低壓及小口徑閥門可選用銅和鋁等材料。設計時根據使用溫度選擇適當的材料。

3．閥桿及緊固件的材料選用

溫度高于-100℃時，閥桿和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金鋼，經適當的熱處理，以提高抗拉強度和防止螺紋咬傷等。溫度低于-100℃時，采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低，會造成閥桿與填料相互擦傷，致使填料處泄漏。所以，閥桿表面必須鍍硬鉻（ 鍍層厚0.04-0.06mm），或進行氮化和鍍鎳磷處理，以提高表面硬度。為防止螺母與螺栓咬死，螺母一般采用Mo鋼或Ni鋼，同時在螺紋表面涂二硫化鉬。

4．低溫閥墊片、填料材料的選用

隨著溫度降低，氟塑料收縮量很大，會使密封性能下降，容易引起泄漏。石棉填料無法避免滲透性泄漏。橡膠對液化天然氣有泡脹性，在低溫下不可采用。

在低溫閥門設計中，一方面由結構設計來保證使填料處于接近環境溫度下工作，例如，采用長頸閥蓋結構，使填料函離低溫介質盡量遠些，另一方面在選擇填料時要考慮填料的低溫特性。低溫閥中一般采用浸漬聚四氟乙烯的石棉填料。

柔性石墨是新近發展起來的一種優良的密封材料。這種材料對氣體、液體均不滲透，在厚度方向有10%-15 %的彈性，較低的緊固壓力就可達到密封。它還有自潤滑性，用作閥門填料可以防止填料與閥桿的磨損。柔性石墨填料使用溫度范圍為—200~870℃。

此類型專用截止閥門主要用于液氧（液氮、液氬）等低溫 液態介質系統上，具有開關靈活、密封可靠、耐壓等特點。 

二.低溫深冷截止閥結構設計分析規范：

公稱通徑：dn 10~40mm 
公稱壓力：pn 4.0mpa
適用介質：lo2、ln2、lar、lng等
適用溫度：-196℃-+80℃ 

三.低溫深冷截止閥結構設計分析材質：

閥體：不銹鋼 
閥瓣、閥蓋：銅 
閥桿：不銹鋼 
填料、密封墊圈：聚四氟乙烯 

四.低溫深冷截止閥結構設計分析外形與安裝連接尺寸：

四、低溫深冷截止閥結構設計分析結構設計分析

1．低溫閥門閥體的設計

閥體是閥門的主要受壓部件，必須有一定的強度才能保證閥門的正常工作。在低溫工況下，閥體所承受的低溫應力、膨脹和收縮附加應力都很大，要保持閥門密封副不發生變形，閥體必須有一定的剛度。同時，要防止低溫應力集中產生的破壞，應盡量避免在閥體中出現尖角、凹槽等。

2．低溫閥門長頸閥蓋的設計

低溫閥門需要采用長頸閥蓋結構，其日的是減少外界傳入裝置中的熱量；保證填料箱部位的溫度在0℃以上，使填料可以正常工作；防止因填料函部分過冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結霜或凍結。  

長頸閥蓋的設計主要是頸部長度L的設計，L指的是填料函底部到上密封座上表面的距離，它和材料的導熱系數、導熱面積及表面散熱系數、散熱面積等因素有關，計算比較繁瑣，一般由實驗法求得。

3．低溫閥門泄壓部件的分析

異常升壓的問題一般只存在于低溫閘閥中。當閘閥閘板關閉后，殘留在閥體中腔的低溫介質從周圍環境中大量吸收熱量，迅速汽化，在閥體內產生很高的壓強。異常升壓的危害很大，它可能將閘板緊緊地壓在閥座上，導致閘板卡死，使閥門不能正常工作，也可能沖壞填料和法蘭墊片，甚至引起閥體爆炸。因此必須采取措施加以避免。  

常用的措施是設計泄壓孔和設置旁路系統。對小口徑閥門（DN≤300mm）可以直接在閘板靠近高壓側（即進口端）設計一個泄壓孔，對于大口徑閥門則需增加旁路系統。對于增加了泄壓孔或旁路系統的低溫閥門必須標明介質流向。

4．低溫閥門上密封裝置的設計

在閥門全開時，阻止工作介質向填料函處泄漏的一種裝置稱為上密封裝置。  

上密封裝置有兩個作用。第一，上密封裝置可以減小工作介質對填料的損壞。工業閥門在絕大多數工作時間處于開啟狀態，如無上密封裝置，則介質壓力直接作用于填料。填料長期處于受壓狀態，易老化。第二，當填料處有泄漏時，全開閥門，使上密封裝置處于工作狀態，就可以帶壓進行填料更換。因此，對于閘閥和截止閥都規定要有上密封裝置。  

上密封面可用在閥蓋上堆焊鉆鉻鎢硬質合金，然后精加工、研磨而成的工藝制得（對于奧氏體不銹鋼材料的閥蓋，可直接在閥蓋上加工上密封面），也可在專門的上密封座上研磨而成。

5．低溫深冷截止閥結構設計分析結構設計時需注意的問題和要求

（1）低溫閥門關閉后，殘留在閥體中的低溫介質因溫度升高而迅速氣化，造成閥體內部異常升壓的問題；

（2）低溫對填料函密封性能的不利影響；

（3）零部件冷變形對閥門的有害影響；

（4）低溫介質對零部件的防爆要求等。

（5）閥體應能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮，且閥座部分的結構不會因溫度變化而產生變形；

（6）采用能保護填料函的長頸閥蓋結構；

（7）采用無論溫度如何變化均能保持可靠密封的閥瓣，例如閘閥采用彈性閘板和開式閘板、截止閥采用錐形閥瓣等；

（8）采用上密封結構；

（9）采用鉆鉻鎢硬質合金堆焊結構的閥座、閥瓣密封面；

（10）采用泄壓孔防止異常升壓，泄壓孔開設位置視閥門結構而定，可以設在閥體上，也可以設在閘板上。

五、低溫深冷截止閥結構設計分析的故障原因分析

低溫閥門產生泄漏的原因主要有兩種情況，一是內漏；二是外漏。 

1．低溫閥門的內漏原因分析

低溫閥門產生內漏的主要原因是密封副在低溫狀態下產生變形所致。當介質溫度下降到使材料產生相變時造成體積變化，使原本研磨精度很高的密封面產生翹曲變形而造成低溫密封不良。我們曾對DN250閥門進行低溫試驗，介質為液氮（-196℃）蝶板材料為1Cr18Ni9Ti（沒經過低溫處理）發現密封面翹曲變形量達0.12mm左右，這是造成內漏的主要原因。

2．低溫閥門的外漏原因分析

第一是由于閥門與管路采用法蘭連接方式時，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生松弛而導至泄漏。因此我們把閥體與管路的連接方式由法蘭連接改為焊接結構，避免了低溫泄漏。第二是由于是閥桿與填料處的泄漏。一般多數閥門的填料采用F4，因為它的自滑性能好、摩擦系數小（對鋼的摩擦系數f=0.05～0.1），又具有的化學穩定性，因此得到廣泛應用。但F4也有不足之處，一是冷流傾向大；二是線膨脹系數大，在低溫下產生冷縮導致滲漏，造成閥桿處大量結冰，至使閥門開啟失靈。為此研制的低溫蝶閥采用自縮密封結構即利用F4膨脹系數大的特點，通過予留的間隙達到常溫、低溫都可以密封的目的。