超低温阀门设计要求

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    目前城市中主要的煤气管道、天然气管道系统中主要使用的装置就是一种管道调节阀了，而一般这类阀门被称之为低温阀门。说到这种低温形式的阀装置，其实目前在一些易燃易爆的介质管道中，这种低温阀都有得到利用的，而作为主要的管道用件，目前来说，它的设计是有一定的要求的，因为它需要使用到一些易燃易爆的介质管道中，所以对于低温形式的阀门来说，其实还是需要一些特殊的要求的，这里就来简单的介绍一下关于这种低温阀门的几个设计要求吧。

    其中低温阀门不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。直接与低温介质接触的阀门组合件应具有防爆和防火结构。低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。

一、低温阀门的设计要求
        根据使用条件，低温阀的设计有下列要求：
        1） 阀门在低温介质及周围环境温度下应具有长时间工作的能力。
        2） 阀门不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。
        3） 低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。
        4） 直接与低温介质接触的阀门组合件应具有防爆和防火结构。
        5） 在低温下工作的阀门组合件无法润滑，所以需要采取结构措施，以防止摩擦件擦伤。
二、超低温阀门设计要求的材料选用

（1）阀门的低工作温度；    

（2）保证零件在低温下不失去工作能力所必需的机械性能，特别是低温冲击韧性、相对延伸率和组织稳定性等； 
    （3）保证零件符合低温介质防爆性的相容条件， 
    （4）保证零件所必须的热物理性能，其中包括导热性能、冷收缩性能等；     

（5）保证零件在低温及无油润滑的条件下具有必需的耐磨性；     

（6）保证零件具有必需的耐腐蚀性； 
    （7）采用焊接时还要考虑材料的焊接性能。  
    3.1阀体、阀盖、阀座、启闭件等的材料选择  
   温度高于-100℃时可选用铁素体不锈钢，温度低于-100℃时选用奥氏体不锈钢，低压和小口径阀门可选用铜合金或铝合金。  
    3.2 阀杆材料选择  
   采用奥氏体不锈耐酸钢制造，需经过适当的热处理，以提高抗拉强度，同时必须镀硬铬（镀层厚度0.04~0.06mm），或进行渗氮处理，以提高表面硬度。  
    3.3 紧固件材料选择  
   温度高于-100℃时，螺栓材料采用Ni、Cr-Mo等合金钢，需经适当的热处理，以防止螺纹咬伤；温度低子-100℃时，螺栓材料可采用奥氏体不锈钢。螺母材料一般采用Mo钢或Ni钢，同时螺纹表而涂二硫化钥。  
    3.4 垫片材抖选择  
   使用温度高于-196℃，低温高使用压力为3MPa时，可采用长纤维自石棉制成的石棉橡胶板；使用温度高于-196℃，低温高使用压力为5MPa时，可采用不锈钢带石棉缠绕式垫片、不锈钢带聚四氟乙烯缠绕式垫片或不锈钢带膨胀石墨缠绕式垫片。  
   这里需强调一下，所有低温材料部件在精加工之前必须进行深冷处理，以减小低温阀门在低温工况下的收缩变形。  
    4 超低温阀门设计要求结构设计  
   低温阀门的结构与通用阀门存在一定差异，在低温阀门的结构设计过程中，除了要考虑阀门结构的一般性要求外，还需要重点解决以下一些问题：  
   （1）低温阀门关闭后，残留在阀体中的低温介质因温度升高而迅速气化，造成阀体内部异常升压的问题；

（2）低温对填料函密封性能的不利影响；

（3）零部件冷变形对阀门的有害影响；

（4）低温介质对零部件的防爆要求等。  

   还应当注意到低温阀门除了在低温介质下工作外，同样要在周围环境温度下工作，即在20℃左右的温度下工作，在设计阀门元件时，特别在设计启闭密封件时必须考虑到这点。  
    根据工作现场的实际需要，对低温阀门的结构设计提出以下基木要求：  
   （1）阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩，且阀座部分的结构不会因温度变化而产生*变形； 
    （2）采用能保护填料函的长颈阀盖结构；    （3）采用无论温度如何变化均能保持可靠密封的阀瓣，例如闸阀采用弹性闸板和开式闸板、截止阀采用锥形阀瓣等，     （4）采用上密封结构； 
    （5）采用钻铬钨硬质合金堆焊结构的阀座、阀瓣密封面； 
    （6）采用泄压孔防止异常升压，泄压孔开设位置视阀门结构而定，可以设在阀体上，也可以设在闸板上。  

        1、低温阀主体材料
     （1） 主体材料选用应考虑的因素
        从金相考虑，金属材料中除了具有面心立方晶格的奥氏体钢、铜、铝等以外，一般的钢材在低温状态下会出现低温脆性，从而降低阀门的强度和使用寿命。选择主体材料时首先要选用适合于低温下工作的材料。铝在低温下不会出现低温脆性，但因铝及铝合金的硬度不高，铝密封面的耐磨、耐擦伤性能差，所以在低温阀门中的使用有一定的限制，仅在低压和小口径阀门中选用。
        在低温工作的材料要保证其低温性能，主要是保证其冷冲击强度。阀内件必须通过正确选材，使其具有足够的冷冲击强度，才能防止断裂。C和Cr的合金钢在低于－20℃时候很快失去抗冲击强度，所以使用温度分别限制在-30℃和-50℃。含Ni量为3.5%的镍钢可以使用到-100℃，含Ni量9%的镍钢可以使用到-192℃。奥氏体不锈钢、镍、蒙乃尔合金、哈氏合金、钛、铝合金及青铜可以使用到更低的温度（-273℃）。
        除此以外，低温阀门的材料选用还应考虑以下一些因素：
        1） 阀门的低使用温度；
        2） 金属材料在低温下保持工作条件所需要的力学性能，特别是冲击韧性、相对延伸率及组织稳定性；
        3） 在低温及无油润滑的情况下，具有良好的耐摩性；
        4） 具有良好的耐蚀性；
        5） 采用焊接连接时还需考虑材料的焊接性能。
     （2） 阀体、阀盖、阀座、阀瓣（闸板）材料的选用
        这些主体零部件材料的选用原则大致是：温度高于-100℃时选用铁素体钢；温度低于-100℃时选用奥氏体钢；低压及小口径阀门可选用铜和铝等材料。设计时根据低使用温度选择适当的材料。
（3） 阀杆及紧固件的材料选用  
        温度高于-100℃时，阀杆和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金钢，经适当的热处理，以提高抗拉强度和防止螺纹咬伤等。温度低于-100℃时，采用奥氏体不锈耐酸钢制造。但18-8耐酸钢硬度低，会造成阀杆与填料相互擦伤，致使填料处泄漏。所以，阀杆表面必须镀硬铬（ 镀层厚0.04-0.06mm），或进行氮化和镀镍磷处理，以提高表面硬度。为防止螺母与螺栓咬死，螺母一般采用Mo钢或Ni钢，同时在螺纹表面涂二硫化钼。
        2、低温阀垫片、填料材料的选用
        随着温度降低，氟塑料收缩量很大，会使密封性能下降，容易引起泄漏。石棉填料无法避免渗透性泄漏。橡胶对液化天然气有泡胀性，在低温下不可采用。
        在低温阀门设计中，一方面由结构设计来保证使填料处于接近环境温度下工作，例如，采用长颈阀盖结构，使填料函离低温介质尽量远些，另一方面在选择填料时要考虑填料的低温特性。低温阀中一般采用浸渍聚四氟乙烯的石棉填料。
        柔性石墨是新近发展起来的一种优良的密封材料。这种材料对91视频黄色网、液体均不渗透，在厚度方向有10%-15 %的弹性，较低的紧固压力就可达到密封。它还有自润滑性，用作阀门填料可以防止填料与阀杆的磨损。柔性石墨填料使用温度范围为—200~870℃。
性能的要求
低温阀门在市面上的发展快速，但也存在着一些问题。低温阀门产生泄漏的原因主要有两种情况，一是内漏；二是外漏。 
    1） 阀门产生内漏主要原因是密封副在低温状态下产生变形所致。当介质温度下降到使材料产生相变时造成体积变化，使原本研磨精度很高的密封面产生翘曲变形而造成低温密封不良。91视频看看簧色曾对DN250阀门进行低温试验，介质为液氮（-196℃）蝶板材料为1Cr18Ni9Ti（没经过低温处理）发现密封面翘曲变形量达0.12mm左右，这是造成内漏的主要原因。  ^
    新研制的蝶阀由平面密封改为锥面密封。阀座是一个斜圆锥椭圆密封面，与嵌装在蝶板上的正圆形弹性密封环组成密封副。密封环可在蝶板槽内径向浮动。当阀门关闭时，弹性密封环首先和椭圆密封面的短轴接触，随着阀杆的转动逐渐将密封环向内推，迫使弹性环再和斜圆锥面的长轴接触，终导致弹性密封环与椭圆密封面全部接触。它的密封是依靠弹性环产生变形而达到的。因此当阀体或蝶板在低温下产生变形时，都会被弹性密封环来吸收补偿，不会产生泄漏和卡死现象。当阀门打开时这一弹性变形立即消失，在启闭过程中基本没有相对磨擦，故使用寿命长。 
    2） 阀门的外漏：其一是阀门与管路采用法兰连接方式时，由于连接垫料、连接螺栓、以及连接件在低温下材料之间收缩不同步产生松弛而导至泄漏。因此91视频看看簧色把阀体与管路的连接方式由法兰连接改为焊接结构，避免了低温泄漏。其二是阀杆与填料处的泄漏。一般多数阀门的填料采用F4，因为它的自滑性能好、摩擦系数小（对钢的摩擦系数f=0.05～0.1），又具有*的化学稳定性，因此得到广泛应用。但F4也有不足之处，一是冷流倾向大；二是线膨胀系数大，在低温下产生冷缩导致渗漏，造成阀杆处大量结冰，至使阀门开启失灵。为此研制的低温蝶阀采用自缩密封结构即利用F4膨胀系数大的特点，通过予留的间隙达到常温、低温都可以密封的目的。 
四、阀体、阀杆轴衬的设计要求： 
    1） 低温阀门壳体结构形状。材料选择的正确与否对阀门的正常可靠工作有着极其重要的意义。蝶阀的结构特点与截止阀、闸阀相比，不但避免了因形状不规则，壳体壁厚不均匀，在低温下产生的冷缩，温差应力所引起的变形，而且由于蝶阀体积小，阀体形状左右基本是的称的，因而热容量小；予冷量消耗也小；形状规则又便于对阀门的保冷措施。如新研制的DD363H型碟阀为保证阀门在低温下的可靠使用，*按照低温阀的特殊性进行设计和制造，如：壳体材料选择了具有立方晶格的1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢等。 
    2） 阀杆衬套的选择： 根据用户反映，有些低温阀门在运行当中，阀门的转动部位发生粘滞，咬合现象时有发生，主要原因是：配对材料选择不合理，予留冷间隙过小，以及加工精度等原因所致。在研制低温阀门时，采取了一系列措施，防止出现以上现象。例如：91视频看看簧色对阀杆上、下轴衬选用了具有摩擦系数小及自润滑性能的SF-1型复合轴承，这样可以适用于低温阀门的一些特殊需要。 
    金属密封型蝶阀具有的特点是一些普通阀门所不具备的。尤其是流阻小、密封可靠、启闭迅速、使用寿命长等。本公司研制的三偏心金属密封蝶阀的密封力来自弹性环的变形达到密封，因而不需要借助介质作用力，故可做双向密封用。根据蝶阀的一些特点将会被更多的人所重视。今后也会有更多的蝶阀应用到低温设备中。 

 4.1 低温阀门阀体的设计  
   阀体是阀门的主要受压部件，必须有一定的强度才能保证阀门的正常工作。在低温工况下，阀体所承受的低温应力、膨胀和收缩附加应力都很大，要保持阀门密封副不发生变形，阀体必须有一定的刚度。同时，要防止低温应力集中产生的破坏，应尽量避免在阀体中出现尖角、凹槽等。  
    阀体壁厚可按公式（4）计算或参照ASME B16.34选取。  
    式中t--阀体计算壁厚，mm；     P--阀体高工作压力，MPa；     DN--阀门公称通径，mm；     σ--材料的许用应力，MPa，  
    计算结果应满足t≥tm，tm为ASME B16.34中所对应的小壁厚。当tm时，取t=tm。此外，还可以根据需要适当加大壁厚尺寸。  
    4.2 低温阀门长颈阀盖的设计  
   低温阀门需要采用长颈阀盖结构，其日的是减少外界传入装置中的热量；保证填料箱部位的温度在0℃以上，使填料可以正常工作；防止因填料函部分过冷而使处在填料函部位的阀杆以及阀盖上部的零件结霜或冻结。  
   长颈阀盖的设计主要是颈部长度L的设计，L指的是填料函底部到上密封座上表面的距离（如图1），它和材料的导热系数、导热面积及表面散热系数、散热面积等因素有关，计算比较繁琐，一般由实验法求得。通常情况下，可以按表2来确定。    

    在工业应用中，可以根据现场实际情况（如保温、操作空间、位置等）的需要，适当的加长颈部尺寸。  
    4.3 泄压部件的设计  
   异常升压的问题一般只存在于低温闸阀中。当闸阀闸板关闭后，残留在阀体中腔的低温介质从周围环境中大量吸收热量，迅速汽化，在阀体内产生很高的压强。异常升压的危害很大，它可能将闸板紧紧地压在阀座上，导致闸板卡死，使阀门不能正常工作，也可能冲坏填料和法兰垫片，甚至引起阀体爆炸。因此必须采取措施加以避免。  

   常用的措施是设计泄压孔和设置旁路系统。对小口径阀门（DN≤300mm）可以直接在闸板靠近高压侧（即进口端）设计一个泄压孔，对于大口径阀门则需增加旁路系统。对于增加了泄压孔或旁路系统的低温阀门必须标明介质流向。  
    4.4 上密封装置的设计  
    在阀门全开时，阻止工作介质向填料函处泄漏的一种装置称为L密封装置。  
   上密封装置有两个作用。*，上密封装置可以减小工作介质对填料的损坏。工业阀门在绝大多数工作时间处于开启状态，如无上密封装置，则介质压力直接作用于填料。填料处于受压状态，易老化。第二，当填料处有泄漏时，全开阀门，使上密封装置处于工作状态，就可以带压进行填料更换。因此，对于闸阀和截止阀都规定要有上密封装置。  
   上密封面可用在阀盖上堆焊钻铬钨硬质合金，然后精加工、研磨而成的工艺制得（对于奥氏体不锈钢材料的阀盖，可直接在阀盖上加工上密封面），也可在专门的上密封座上研磨而成。  

   随着工业技术的飞跃发展，对阀门行业提出了更严格的要求，尤其对低温介质中所使用的蝶阀，除了能满足一般阀门所具有的性能之外，更重要的是在低温状态下阀门密封的可靠性，动作的灵活性以及对低温阀门的一些其它特殊要求。 
    随着工业技术的飞跃发展，对阀门行业提出了更严格的要求，尤其对低温介质中所使用的蝶阀，除了能满足一般阀门所具有的性能之外，更重要的是在低温状态下阀门密封的可靠性，动作的灵活性以及对低温阀门的一些其它特殊要求。 总之，在低温阀门的设计过程中要综合考虑低温对阀门的各种影响，采用合理的结构，避免低温对阀门正常工作的不良影响。
    *，蝶阀具有结构紧凑、体积小、重量轻（与相同压力，相同通径的闸阀相比可减轻40%～50%）流体阻力小、启闭迅速等一系列优点。但我国一些低温装置如天燃液化设备、空气分离设备以及变压吸附设备等化工行业所采用的阀门有80%以上是截止阀或闸阀，采用蝶阀的数量很少。分析其原因主要*的金属密封蝶阀在低温状况下密封性能不良，以及其它一些因结构不合理等原因造成介质内漏和外漏，严重的影响这些低温设备的安全和正常运行，不能满足低温设备的要求。 

的检验  
    低温阀门除了要做常温检验外，还必须做低温试验。  
    常温检验主要包括壳体水压强度试验，水压、气压密封试验，上密封试验，以及启闭和扭矩试验等。  
   低温试验的主要目的是检验低温阀门在低温状态下的操作性能和密封性能。操作性能要求阀门启闭灵活，移动件和密封副不得发生擦伤和咬死。密封性能要求阀门密封面泄漏量小于允许泄漏量。  
    6 结论  
   低温阀门与通用阀门的工作环境有很大的区别，在低温阀门的设计、制造、检验等过程中除了要遵守阀门设计、制造、检验的一般规则外，还应当特别注意以下几点：（1）根据低工作温度和工作介质选择合理的低温材料；（2）采用合理的结构，特别是防止异常升压的结构和保证良好密封的结构；（3）在精加工前，必须对所有低温材料部件进行深冷处理；（4）按要求进行常温试验和低温试验 
    根据我国低温装置的不断发展，对低温阀门的要求日益增大，为适应市场经济发展的需要，对金属密封蝶阀进行结构上的改进，研制出一种三偏心纯金属高密封性能的蝶阀（图一、现已申报国家）无论介质是高温还是低温均能满足其需密封性对阀门是至关重要，因此在其生产过程中这是需要注意的地方.与本论文相关的论文：如何正确选用低温阀门