上海申弘閥門有限公司
介紹了低溫閥門在選材,結構設計,制造工藝以及低溫試驗的特殊要求及其注意事項。LNG氣站系列低溫閥門主體選用鍛件固溶處理，并成功解決了大口徑閥門低溫材料收縮等問題，和填料高壓密封差等問題，浸漬聚四氟乙烯的石棉為填料以柔性石墨為密封材料，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+480~-210℃。適用于甲烷，液態天然氣，已烯，二氧化碳，液氨，液氧，液氮，液氫等低溫場所。可跟據用戶要求設計定產，咨詢
實用介質：液氧、液氬、氨液、氮液、壓縮天然氣及工業低溫液體。
連接方式：法蘭、螺紋、焊接
制造材料：20#﹑1Cr18Ni9Ti﹑304﹑316﹑316L﹑蒙乃爾合金等
超低溫閥門低溫閥門：
適用于介質溫度-150℃以下的閥門稱之為超低溫閥門
液化天然氣閥門的材料非常重要，材質不合格，會造成殼體及密封面的外漏或內漏；零部件的綜合機械性能、強度和鋼度滿足不了使用要求甚至斷裂。導致液化天然氣介質泄漏引起爆炸。因此，在開發、設計、研制液化天然氣閥門的過程中，材質是首要關鍵的問題。
超低溫閥門包括低溫球閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫安全閥、低溫止回閥等，主要用于三十萬噸乙烯，液化天然氣等化工裝置上。輸出的液態低溫介質如乙烯、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產品等，不但易燃易爆，而且在升溫時要氣化，氣化時，體積膨脹數百倍。
一、前言
近年來，由于能源緊缺液化天然氣(LNG)成為主要能源之一。用于LNG的球閥因為使用在超低溫的環境下，對閥門的結構、材料選擇、制造及檢驗等均提出了特殊的要求。
二、低溫球閥材料
1.主材
針對不同等級的低溫環境，畑中特殊閥門選用不同的材料（見表1）。通常對鐵素體低溫壓力部件進行在設計溫度下的夏比沖擊實驗，奧氏體不銹鋼逐件進行PMI分析。
制作低溫球閥的金屬材料在加工成形后需要進行冰冷處理或深冷處理。表2 是畑中特殊閥門常用的深冷處理方法。
2.閥桿
畑中特殊閥門使用沉淀硬化不銹鋼或鎳鉻合金作為超低溫球閥閥桿材料，對奧氏體不銹鋼材料制作的閥桿表面必須進行鍍硬鉻或氮化處理提高閥桿表面硬度。表3是表面處理的常用材料。
3.密封面
在低溫狀態下，由于非金屬材料的膨脹系數較大，低溫時的收縮量與金屬密封件、閥體等耦合件的收縮量相差很多，導致密封性能大幅下降。同時大多數非金屬材料在超低溫狀態下會發生脆性轉變并容易導致冷流和應力松弛。低于-70℃的環境就不再采用非金屬密封副材料。而奧氏體不銹鋼閥瓣和閥座密封副由于球體與閥座之間在整個啟閉過程中始終緊密貼合存在著摩擦，且金屬密封副所要求的密封力較大，未經表面硬化處理的球體與閥座之間會擦傷，影響球閥的密封性能，畑中特殊閥門生產的低溫球閥選用超音速火焰噴涂（HOFV）或者噴焊技術在球體和閥座密封表面噴涂WC 或鎳鉻合金，使表面硬度達到68～72HRC，再進行高精度研磨加工。表面硬化常用材料如表4所示。
三、低溫閥門的結構特點
畑中特殊閥門常用的低溫用途上裝式球閥，如圖1所示，在設計上充分考慮了低溫工況下對閥門各個零部件的要求。
圖1 畑中特殊閥門低溫閥
1.閥體
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應力都很大，要保持閥門密封副不發生變形，殼體的剛度很重要。壁厚計算遵循ASME B16.34規格要求，并在此基礎上平均增加2~4mm。此外，為了防止低溫時應力集中的脆性破壞，應盡量避免殼體有尖角、凹槽等。
2.長頸閥蓋
在低溫環境下，閥門采用長閥桿，可以避免填料函溫度降至冰點造成的破壞。畑中特殊閥門依據MSS-SP-134規范，全方面考慮頸部長度和材料的導熱系數、導熱面積及表面散熱系數、散熱面積等因素。長頸部強度計算通過常用閥體壁厚驗算方法確定，同時在增加一定附加余量后滿足閥體小壁厚要求。結果見表5。
此外，畑中特殊閥門借助于應力分析軟件，模擬產品在實際溫度，壓力等具體環境中的參數，并根據分析數據對長頸閥蓋進行修正，閥內結構對溫度場的影響關系如圖2所示。
圖2 結構對溫度場的影響
3.密封結構
奧氏體不銹鋼在低溫時會發生部分相變，從而產生相變應力變形，同時溫度的變化也會產生溫變應力變形。因此在制造過程中需對各零部件進行低溫深冷處理，以降低溫度對超低溫閥門密封性能的影響。
1）由于低溫引起密封面的變形，可能會發生常溫下密封良好的閥座在低溫狀態下發生泄漏，為此在計算密封預緊力時，在滿足許用比壓的基礎上，應適當增加閥座預緊力，根據HSV以往的設計及制造經驗，建議增加30%左右。
2）由于填料通常是非金屬材料，其線膨脹系數比金屬填料函和閥桿大得多，因此在常溫下裝配的填料，降到一定溫度后，其收縮量大于填料孔和閥桿的收縮量，會造成預緊壓力減小引發泄漏。畑中特殊閥門采用組合式填料可以適用于不同溫度的環境。填料由三維組合體構成，內含特殊潤滑分，應力松弛極小，適用溫度低至-200℃。
3）中法蘭一般采用纏繞墊片密封結構。因材料線膨脹系數不同，密封比壓會有所減小，引起介質外漏，因此中法蘭緊固螺栓連接處采用蝶型彈簧墊片預緊（如圖3所示）補償填料在低溫時的預緊力確保填料密封性能。
圖3 蝶形彈簧墊片
4.防靜電結構
基于 LNG 介質的易燃易爆特性，在設計LNG低溫閥門時，必須考慮防靜電措施，如圖4所示。尤其對非金屬高分子材料閥座，有集聚靜電的危險，靜電能引起火花造成燃燒和爆炸。在設計時需考慮在閥桿與閥體之間、閥桿與關閉件之間設置導通裝置，引出靜電。對金屬密封的超低溫閥門，可不設置導通裝置，但在裝配后應測量閥桿與閥體、關閉件與閥體之間的電阻值小于設計規范所規定的10Ω。
圖4 防靜電結構
5.泄壓結構
低溫液化氣體介質在溫度升高的情況下會氣化膨脹，如閥門內存在密閉的空間，在積液氣化時會造成閥門內壓提高數倍造成泄漏，嚴重時發生閥體開裂造成事故。球閥在全閉和全開時都會形成密閉空間，因此在設計時要考慮當中腔壓力升高時，閥門能自動將高壓介質排放出去。畑中特殊閥門通常采用內部泄放方式。
1）通過泄壓孔將閥門中腔與管路進口端連通，使中腔壓力始終與管路進口端平衡，如圖5所示；
2）采用雙阻斷雙排放結構閥座，如圖6所示，當中腔壓力達到設定的安全泄放壓力時，中腔介質泄放至進口管路內。
圖5 內部泄壓方式
圖 6 雙阻斷雙排放結構閥座
四、低溫閥門的測試
1.常用低溫試驗方法
目前上通常采用浸漬法和保冷法兩種方式。浸漬法（即外部冷卻法）是將閥門直接放到裝有液氮的保冷箱中冷卻，當閥門溫度驟冷至工作溫度后再用氦氣進行密封性能試驗。保冷法（即內部冷卻法）是將閥門安裝在保冷箱中，通入低溫介質進入閥門內部降溫，當溫度降到規定值時，將低溫介質放掉，然后通入規定壓力的氦氣進行試驗。歐美閥門行業多采用英國制定的閥門標準BS6364：1984 （R1998）《低溫閥門》，適用于閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥，溫度范圍-196～ -50℃，其低溫試驗方法屬于浸漬法。
2.日本T.T.O低溫閥門試驗
畑中特殊閥門采用日本T.T.O低溫閥指針做為低溫閥的檢測標準。T.T.O低溫閥指針是由日本三大燃氣公司根據通用法規制定的關于低溫閥選材，設計，制造，試驗，噴涂，包裝以及運輸等方面的規范，其中規定的允許泄漏量較其他規范更加嚴格。低溫閥試驗裝置使用保冷法，如圖7所示。閥座密封試驗壓力及持續時間見表6，低溫試驗允許泄漏率見，泄漏量檢測方法在圖中顯示為水槽中測量容器。
圖 7 低溫試驗裝置
低溫實驗的具體內容如表8所示。
五、結語
LNG 超低溫閥門由于其使用介質分子量小，粘度低，浸透性強，容易泄漏，且其具有易燃易爆的特性，因此在設計超低溫閥門時，必須考慮以下幾點：
1）根據LNG 介質特性和-163℃工作溫度選用合適的相容材料。
2）采用柔性密封結構。
3）采用合理的防火、防爆結構和防超壓結構。
4）金屬零部件在加工過程中進行深冷工藝處理。
5）進行低溫試驗。與本文相關的論文有：五陽煤礦應用閥門案例
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