1  前言

      低（dī）溫閥門是石油化工、煤化工、空氣分離、天然氣（qì）、煙（yān）草等工業不可缺少的重要設備之一, 其性能和可靠性直接影響這些工業成套設備的安全和經濟運行。低溫閥門所控製的介質除了液氮和液態惰性氣體外, 大部分介質易燃、易爆、滲透（tòu）性強。最低溫度- 269 ℃ ( 液氦（hài）) 、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、製造和檢驗均與普通閥門（mén）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在中腔的低溫介（jiè）質因環境 ( 大氣) 溫度引起急速汽（qì）化而導致的異常升壓;低溫向填料函傳導引起填料失效, 從而引起填（tián）料函處（chù）泄漏; 承壓件（jiàn）抵抗低溫衝（chōng）擊的能力。隨著現代科（kē）技的發展, 低溫裝置的規模不（bú）斷（duàn）擴大, 低溫閥門的需（xū）求量也（yě）越來越大。

      2  低（dī）溫閥門的設計

      低溫閥門不僅要有良（liáng）好的密封性, 結構上（shàng）要能防止低溫對填料的影響（xiǎng）, 克（kè）服在低溫條件下材料的變形和熱應（yīng）力集中可能對閥門的破壞, 同時能及時排泄異常升壓, 特別是所選用的低溫鋼要（yào）有良好（hǎo）的耐衝擊性（xìng）能。

      2.1  閥體設計

      低溫工況下閥體所承受的溫度應力、連接管道的膨脹和收縮附加（jiā）應力（lì）都很大, 要保持閥門（mén）密封副不發生變形, 殼體的剛度很重要。此外, 為了防止低溫（wēn）時應力（lì）集中的脆性破壞, 殼體中的尖角、凹槽等應（yīng）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（de）設計

      從低溫（wēn）閥門的泄漏情況分析, 填料處易發生泄漏。為了克服（fú）低溫對填料的影響采（cǎi）用長頸閥蓋結構, 使填料函的工作（zuò）溫度接近周（zhōu）圍環境溫度。圖1 是低溫閥門閥蓋頸（jǐng）部的基本結構與溫度分布。頸部（bù）長度（dù）L 是指填料函底部到上密封座上平麵之間的距離。根據低溫傳熱（rè）學（xué）原理得出（chū）結構設計公式。

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

      當已知材料的導熱係數、對流傳熱係數以及長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 , 也可參照（zhào）表1 選取L 。另外, 根據工況和（hé）現場( 如保溫、操作空間、位置等) 需要, 可（kě）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（zhī）出現在低溫閘（zhá）閥中,當閘閥關閉（bì）時, 殘留在中腔的低溫液體會因環境溫度的影響而迅速汽化, 在中（zhōng）腔產生不正常的異常升壓。它可以導致低溫閥門填料處泄漏及中法（fǎ）蘭（lán）連接處破壞, 甚（shèn）至導致閥門啟閉件卡死, 閥體或（huò）閥蓋破裂。解決該問題（tí）的方法是增加平（píng）衡係統。對中小口徑低溫閥（fá）( DN≤ 300mm) 在閘板上開設平衡孔（kǒng）( 圖2) , 對於大口徑低溫閥（fá）增加旁路係統。當異常升壓（yā）發生時, 可（kě）以通過平衡係統排泄到（dào）管路係（xì）統, 以此消除對閥門的不利影響。低溫閥門（mén）增加了平（píng）衡孔（kǒng）或（huò）旁路係統（tǒng）時, 閥體上必須帶有指明流向的（de）箭（jiàn）頭, 安裝（zhuāng）時必須注意（yì）。

      2.4 低溫（wēn）閥門材料選擇

      在低溫條件下（xià）, 材料的抗拉強度和硬度提高, 塑性和韌性降低（dī）。材料將產生（shēng）低溫脆性,甚至發生體（tǐ）積變化, 給閥門的安全使用（yòng）帶來影響。因此, 在選擇低溫用材料時必須考慮閥門的工作溫度, 材料的低溫韌性以（yǐ）及組織穩定性。鐵素體類低溫鋼（gāng）的韌性在低溫下變化較大, 必須做工作溫度下的V 型缺口夏比 ( Charpy) 衝擊試驗（yàn）, 奧氏體鋼在一定（dìng）的低溫下會發生馬（mǎ）氏體相變（biàn）, 引起閥門變形, 導致閥門漏泄。所以, 低溫閥門要按最低工作溫度選擇材（cái）料, 同時要根據工況條件對材料做衝擊（jī）試驗和適（shì）當的低（dī）溫處理。材料選擇推薦按（àn）表2。

      3  低溫閥門製造

      低溫閥門屬於（yú）特殊閥門, 在製造上除了與普（pǔ）通閥門有許多相同之處外, 針對（duì）低溫工況還有許多特殊（shū）要求。如材料的低溫處（chù）理、衝（chōng）擊試驗及結構等。

      3.1  毛坯件

      低溫閥門的主要毛坯件是閥體、閥（fá）蓋和閥瓣等。根據溫度主要選（xuǎn）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（wēn）下脆（cuì）性增大。奧氏體鋼（gāng）在一定低溫下發生馬氏體相變, 引起金屬組織體積變化。對此, 鐵素（sù）體低溫鋼( LCB、LC3) 除了做普通的力學性能試驗外, 要按ASTM A352/ A352M 的要求, 在最低使用溫度下做V 型缺口夏比衝擊試驗。3個（gè）試驗（yàn）中的單個試樣（yàng）最小值akk≥16 ( J) , 3 個試樣均值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, 但必須做低溫處理, 以消除相變的影響。處理溫度要低於相變點( MS) 或更低, 時間2~ 6h。CF8、CF8M 應嚴格按ASTM A351/ A351M 的要求處理。這裏（lǐ）需特別說明的是, LCB、LC3不經適當（dāng）的熱處理其衝擊值是達不（bú）到要求的。如果衝擊值（zhí）達不到要求（qiú）, 在（zài）低溫下使用是非常危險的。

      3.2  密封麵加工

      低溫介質對密封麵很少有潤滑作用。在（zài）閘閥中, 為了防止密封（fēng）麵擦傷和咬死, 必須在閘板和閥座密封（fēng）麵上堆焊（hàn）硬質合金( Co-Cr-W) ,以提高（gāo）表麵硬度和耐磨性。堆焊前的加工麵精度要達到Ra3.2 左右, 所有尖角或銳邊需倒圓R1。堆（duī）焊時先去除油汙及鏽斑, 以（yǐ）保證堆焊層的質量。堆焊層的形狀和具體要求見圖3和表3。為了防止低（dī）溫下閥體或閥瓣變形對密封性能的影響, 必須先將（jiāng）閥體或（huò）閥瓣進行低溫處（chù）理( 保溫2~ 6h) , 然後加工（gōng）密封麵和研磨,加工後的（de）密封麵粗（cū）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（chù）, 並帶動閥瓣運動,其表麵硬度、橢圓度、粗糙度等影響（xiǎng）填（tián）料的密封性。因此橢圓度應（yīng）達到10 級（jí）以上, 粗（cū）糙度不低於Ra0.4。為了提高硬度（dù）, 可（kě）以進行表麵鍍鉻（gè）處理, 鍍層厚度0.02~ 0.05mm, 這樣做可以降低閥門的啟閉扭矩。

      閥杆和填料函的尺寸采（cǎi）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（de）要求。低（dī）溫介質的分子量（liàng）都較小, 易泄（xiè）漏。裝配填料時必須逐層壓實, 使填料對填料函內（nèi）壁和閥杆表麵的壓力增加, 達到良（liáng）好的密封效（xiào）果, 填料選擇見表2。為了（le）工作中便於更換填料, 低溫閥必須采用上密封結構（gòu）, 上密封座材質的機械（xiè）性能不應低於基體。

      低溫（wēn）閥門用的墊片必須在常溫、低溫以及溫度循環（huán）變化情況下具有可靠的密封（fēng）性和複原性。墊片材料在低溫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的（de）衝擊韌性, 當選用奧氏體鋼（gāng）時, 由於其屈服點低和容易咬死, 所以須經（jīng）冷作硬化, 同時在螺紋部位塗（tú）二硫化鉬才可使用（yòng）。另外, 在螺栓螺紋根部容易引起應力集（jí）中, 故應將螺栓整體製成（chéng）螺紋。連接閥體和閥蓋的（de）螺栓在複合載荷作用下容易（yì）產生疲勞破壞, 應用扭矩扳手旋緊螺母, 以保證螺栓（shuān）受力均勻。

      4  低溫閥門檢驗

      低溫閥門不僅要做常規檢驗, 還要做低溫試驗。關於材料的試驗、無損檢測、毛坯件判廢等按有關標準和用戶的要求進行。本文僅就低溫閥整機性能檢驗進（jìn）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（mén）,應做殼體水（shuǐ）壓強度試驗, 水壓和氣壓密封試驗, 以及（jí）啟閉和扭矩試（shì）驗, 並記（jì）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 或用戶提出的標準進（jìn）行。如果用戶提出同時（shí）做低溫試驗, 應滿足用戶要求.

      4.2 低溫試驗

      如果是試製的新產（chǎn）品或用戶提出要求, 必須做低溫試驗。低溫性能試驗的目的是檢驗低操作性能要求閥（fá）門啟閉（bì）靈（líng）活, 移（yí）動件和密封副不得發生擦傷或咬死; 密封性能（néng）要求（qiú）閥門密（mì）封麵泄漏量小於允許泄漏量< q>。 

      4.3  低溫試（shì）驗方法

      圖（tú）4 為低溫試驗流程, 原理是先（xiān）將液氮充入冷卻槽, 然後按比例充入無水酒精並（bìng）攪拌,當控製台測溫器達到被（bèi）測閥門（mén）的工況溫度時,將被測閥門放入冷卻槽, 達（dá）到溫度平衡後立即進行測試。操作性能合格後往閥門（mén）腔體（tǐ）內充1.0MPa 的氮氣（qì）或氦氣, 在出口側（cè）測量泄漏量。

      低溫閥門應在工況溫度下進行試驗。當溫度大（dà）於- 196 ℃ 時, 由液氮和酒精按一定比例混合（hé）來達到低溫工況溫度。當工（gōng）況溫度（dù）小（xiǎo）於或等於- 196 ℃ 時, 直接利用工況介（jiè）質。由於（yú）酒精易揮發, 試（shì）驗（yàn）室（shì）和試驗裝置應全部采（cǎi）用防爆電器。檢漏時用氮（dàn）氣還是氦氣由試驗溫度決定。

      氮的臨界溫度為- 137℃ , 臨界壓力3.3MPa,即（jí）在溫度（dù）- 137 ℃ 、壓力3.3MPa 的條件下,氮氣將發生相變, 由氣（qì）體變成（chéng）液體。根據氮的T-S 圖, 1.0MPa 的（de）氮氣在- 151 ℃ 左（zuǒ）右的條（tiáo）件下發生液化, 這種情況下難以準（zhǔn）確（què）地（dì）測出閥門的（de）密封性能。所以, 當試驗溫度大於（yú）- 150 ℃時用氮氣。當試驗溫度小於或等於- 150 ℃ 時用氦氣（qì）。

      低溫試驗後, 應將閥門拆開, 檢查零部件的情（qíng）況, 檢查其（qí）磨損和毀（huǐ）壞情況, 同時（shí）完成試驗報告, 內容如（rú）下（xià）:

      ① 試（shì）驗後零部件情（qíng）況;

      ② 中法蘭和填料函緊固件的緊（jǐn）固力值;

      ③ 泄漏（lòu）率;

      ④常規試（shì）驗和低溫試驗（yàn）結（jié）果的對比;

      ⑤溫度（dù）測（cè）量結果;

      ⑥啟閉情況和力（lì）矩;

      ⑦ 閥門（mén）的參數、工況溫度等;

      ⑧試驗期間所做的其他測（cè）量和觀察。