低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

一、低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析 設(shè)計(jì)要求

低溫閥門(mén)工作條件苛刻，其工作介質(zhì)大部分為易燃、易爆、滲透性強(qiáng)的物質(zhì)，工作溫度可達(dá)-269℃，最高使用壓力達(dá)10MPa。因此，低溫閥門(mén)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)與通用閥門(mén)相比有很大的區(qū)別。一般，根據(jù)低溫閥門(mén)的使用工況，對(duì)設(shè)計(jì)工作提出以下幾點(diǎn)要求：

1．閥門(mén)在低溫介質(zhì)及周圍環(huán)境溫度下應(yīng)具有長(zhǎng)時(shí)間工作的能力。

2．閥門(mén)不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源。這是因?yàn)闊崃康牧魅氤档蜔嵝释猓缌魅脒^(guò)多，還會(huì)使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險(xiǎn)。

3．低溫介質(zhì)不應(yīng)對(duì)手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。

4．直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門(mén)組合件應(yīng)具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。

5．在低溫下工作的閥門(mén)組合件無(wú)法潤(rùn)滑，所以需要采取結(jié)構(gòu)措施，以防止摩擦件擦傷。

二、低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析性能指標(biāo)

1．低溫閥門(mén)的 絕熱性能

可以利用閥門(mén)進(jìn)入低溫介質(zhì)的熱流流量Q1與所通過(guò)的低溫介質(zhì)的質(zhì)量比來(lái)衡量低溫閥門(mén)的絕熱能力。但在介質(zhì)種類不變，僅流速發(fā)生變化時(shí)，其值就會(huì)變化，因此用這種方法作為評(píng)價(jià)低溫閥門(mén)絕熱能力的指標(biāo)顯然是不合適的。可以采用指標(biāo)KT作統(tǒng)一比較。  

2．低溫閥門(mén)的 冷卻性能  

低溫閥門(mén)的冷卻性能是指低溫閥門(mén)從常溫冷卻到工作溫度的能力。這一性能可以利用閥門(mén)在上述過(guò)程中所消耗的能量，即在上述過(guò)程中閥門(mén)傳給低溫介質(zhì)的熱量Q2來(lái)衡量。對(duì)于周期性工作的低溫閥門(mén)來(lái)說(shuō)冷卻性能指標(biāo)有著極其重要的意義。

3．低溫閥門(mén)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(shí)現(xiàn)可靠密封，必須采用合理的密封結(jié)構(gòu)或者加大密封比壓。因此，需要對(duì)密封效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，一般可以采用與泄漏量有關(guān)的參數(shù)來(lái)衡量低溫閥門(mén)的密封能力，

4．低溫閥門(mén)表面不結(jié)冰的條件  

低溫閥門(mén)工作時(shí)，其表面不應(yīng)結(jié)露，更不應(yīng)結(jié)冰。閥門(mén)外表面是否結(jié)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(diǎn)溫度。事實(shí)上，在全天候條件下，消除結(jié)露是很困難的。但是如果ΔT1滿足一定條件，結(jié)冰的可能性就會(huì)大大降低，則閥門(mén)表面不結(jié)冰的條件為ΔT1≤5℃。

三、低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的 材料選用

1．主體材料選用應(yīng)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(tài)下會(huì)出現(xiàn)低溫脆性，從而降低閥門(mén)的強(qiáng)度和使用壽命。選擇主體材料時(shí)首先要選用適合于低溫下工作的材料。鋁在低溫下不會(huì)出現(xiàn)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(mén)中的使用有一定的限制，僅在低壓和小口徑閥門(mén)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(qiáng)度。閥內(nèi)件必須通過(guò)正確選材，使其具有足夠的冷沖擊強(qiáng)度，才能防止斷裂。C和Cr的合金鋼在低于－20℃時(shí)候很快失去抗沖擊強(qiáng)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(mén)的材料選用還應(yīng)考慮以下一些因素：

（1）閥門(mén)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(jī)械性能，特別是低溫沖擊韌性、相對(duì)延伸率和組織穩(wěn)定性等； 

（3）保證零件符合低溫介質(zhì)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(dǎo)熱性能、冷收縮性能等；

（5）保證零件在低溫及無(wú)油潤(rùn)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(shí)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(shí)選用鐵素體鋼；溫度低于-100℃時(shí)選用奧氏體鋼；低壓及小口徑閥門(mén)可選用銅和鋁等材料。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)使用溫度選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

3．閥桿及緊固件的材料選用

溫度高于-100℃時(shí)，閥桿和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金鋼，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蕴岣呖估瓘?qiáng)度和防止螺紋咬傷等。溫度低于-100℃時(shí)，采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低，會(huì)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(jìn)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(shí)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(huì)使密封性能下降，容易引起泄漏。石棉填料無(wú)法避免滲透性泄漏。橡膠對(duì)液化天然氣有泡脹性，在低溫下不可采用。

在低溫閥門(mén)設(shè)計(jì)中，一方面由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)保證使填料處于接近環(huán)境溫度下工作，例如，采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠(yuǎn)些，另一方面在選擇填料時(shí)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(fā)展起來(lái)的一種優(yōu)良的密封材料。這種材料對(duì)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(dá)到密封。它還有自潤(rùn)滑性，用作閥門(mén)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(mén)主要用于液氧（液氮、液氬）等低溫 液態(tài)介質(zhì)系統(tǒng)上，具有開(kāi)關(guān)靈活、密封可靠、耐壓等特點(diǎn)。 

二.低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析規(guī)范：

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

三.低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析材質(zhì)：

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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析外形與安裝連接尺寸：

四、低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1．低溫閥門(mén)閥體的設(shè)計(jì)

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

2．低溫閥門(mén)長(zhǎng)頸閥蓋的設(shè)計(jì)

低溫閥門(mén)需要采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，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(guò)冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結(jié)霜或凍結(jié)。  

長(zhǎng)頸閥蓋的設(shè)計(jì)主要是頸部長(zhǎng)度L的設(shè)計(jì)，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(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積及表面散熱系數(shù)、散熱面積等因素有關(guān)，計(jì)算比較繁瑣，一般由實(shí)驗(yàn)法求得。

3．低溫閥門(mén)泄壓部件的分析

異常升壓的問(wèn)題一般只存在于低溫閘閥中。當(dāng)閘閥閘板關(guān)閉后，殘留在閥體中腔的低溫介質(zhì)從周圍環(huán)境中大量吸收熱量，迅速汽化，在閥體內(nèi)產(chǎn)生很高的壓強(qiáng)。異常升壓的危害很大，它可能將閘板緊緊地壓在閥座上，導(dǎo)致閘板卡死，使閥門(mén)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(shè)計(jì)泄壓孔和設(shè)置旁路系統(tǒng)。對(duì)小口徑閥門(mén)（DN≤300mm）可以直接在閘板靠近高壓側(cè)（即進(jìn)口端）設(shè)計(jì)一個(gè)泄壓孔，對(duì)于大口徑閥門(mén)則需增加旁路系統(tǒng)。對(duì)于增加了泄壓孔或旁路系統(tǒng)的低溫閥門(mén)必須標(biāo)明介質(zhì)流向。

4．低溫閥門(mén)上密封裝置的設(shè)計(jì)

在閥門(mén)全開(kāi)時(shí)，阻止工作介質(zhì)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(gè)作用。第一，上密封裝置可以減小工作介質(zhì)對(duì)填料的損壞。工業(yè)閥門(mén)在絕大多數(shù)工作時(shí)間處于開(kāi)啟狀態(tài)，如無(wú)上密封裝置，則介質(zhì)壓力直接作用于填料。填料長(zhǎng)期處于受壓狀態(tài)，易老化。第二，當(dāng)填料處有泄漏時(shí)，全開(kāi)閥門(mén)，使上密封裝置處于工作狀態(tài)，就可以帶壓進(jìn)行填料更換。因此，對(duì)于閘閥和截止閥都規(guī)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(zhì)合金，然后精加工、研磨而成的工藝制得（對(duì)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(mén)的上密封座上研磨而成。

5．低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需注意的問(wèn)題和要求

（1）低溫閥門(mén)關(guān)閉后，殘留在閥體中的低溫介質(zhì)因溫度升高而迅速氣化，造成閥體內(nèi)部異常升壓的問(wèn)題；

（2）低溫對(duì)填料函密封性能的不利影響；

（3）零部件冷變形對(duì)閥門(mén)的有害影響；

（4）低溫介質(zhì)對(duì)零部件的防爆要求等。

（5）閥體應(yīng)能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮，且閥座部分的結(jié)構(gòu)不會(huì)因溫度變化而產(chǎn)生變形；

（6）采用能保護(hù)填料函的長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)；

（7）采用無(wú)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(kāi)式閘板、截止閥采用錐形閥瓣等；

（8）采用上密封結(jié)構(gòu)；

（9）采用鉆鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)的閥座、閥瓣密封面；

（10）采用泄壓孔防止異常升壓，泄壓孔開(kāi)設(shè)位置視閥門(mén)結(jié)構(gòu)而定，可以設(shè)在閥體上，也可以設(shè)在閘板上。

五、低溫深冷截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的故障原因分析

低溫閥門(mén)產(chǎn)生泄漏的原因主要有兩種情況，一是內(nèi)漏；二是外漏。 

1．低溫閥門(mén)的內(nèi)漏原因分析

低溫閥門(mén)產(chǎn)生內(nèi)漏的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。我們?cè)鴮?duì)DN250閥門(mén)進(jìn)行低溫試驗(yàn)，介質(zhì)為液氮（-196℃）蝶板材料為1Cr18Ni9Ti（沒(méi)經(jīng)過(guò)低溫處理）發(fā)現(xiàn)密封面翹曲變形量達(dá)0.12mm左右，這是造成內(nèi)漏的主要原因。

2．低溫閥門(mén)的外漏原因分析

第一是由于閥門(mén)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。因此我們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。第二是由于是閥桿與填料處的泄漏。一般多數(shù)閥門(mén)的填料采用F4，因?yàn)樗淖曰阅芎谩⒛Σ料禂?shù)小（對(duì)鋼的摩擦系數(shù)f=0.05～0.1），又具有的化學(xué)穩(wěn)定性，因此得到廣泛應(yīng)用。但F4也有不足之處，一是冷流傾向大；二是線膨脹系數(shù)大，在低溫下產(chǎn)生冷縮導(dǎo)致滲漏，造成閥桿處大量結(jié)冰，至使閥門(mén)開(kāi)啟失靈。為此研制的低溫蝶閥采用自縮密封結(jié)構(gòu)即利用F4膨脹系數(shù)大的特點(diǎn)，通過(guò)予留的間隙達(dá)到常溫、低溫都可以密封的目的。