2021-07-07
設(shè)計(jì)溫度低于100℃的調(diào)節(jié)閥為超低溫調(diào)節(jié)閥，零下100℃的介質(zhì)具有特殊性，對(duì)調(diào)節(jié)閥的影響是持續(xù)的，所以在設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中，除了考慮閥門(mén)的常規(guī)設(shè)計(jì)與制造，還應(yīng)考慮在-100℃下材料的性能。本文主要介紹了調(diào)節(jié)閥在超低溫環(huán)境下如何保證良好的密封；超低溫環(huán)境下泄漏量的計(jì)算方法。
1 引言
對(duì)于調(diào)節(jié)閥來(lái)說(shuō)，密封是設(shè)計(jì)需要考慮的首要條件，合理的結(jié)構(gòu)是避免泄漏的先決條件。根據(jù)當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)與國(guó)內(nèi)能源發(fā)展的需求，在空分和天然氣液化行業(yè)推進(jìn)超低溫調(diào)節(jié)閥國(guó)產(chǎn)化極其迫切。超低溫調(diào)節(jié)閥是一種在零下100℃介質(zhì)中工作的閥門(mén)。隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，低溫產(chǎn)品需求及產(chǎn)量日漸增長(zhǎng)，液氧、液氮、液氦以及液化天然氣等被廣泛地應(yīng)用。液氦的溫度-254 ℃，液氮的溫度-196 ℃，液氧的溫度-183 ℃，液化天然氣的溫度-162 ℃，這些產(chǎn)品的分餾、儲(chǔ)存和運(yùn)輸都需要使用大量的超低溫閥門(mén)。超低溫閥門(mén)的用量逐漸增大，用戶對(duì)超低溫閥的技術(shù)性能要求也在逐漸提高。
2 工作原理
超低溫調(diào)節(jié)閥主要由閥體、支座、上閥蓋、閥座、閥芯、套管等組成，通過(guò)閥芯實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)流量和壓力的調(diào)節(jié)。在低溫工況下，閥體與執(zhí)行機(jī)構(gòu)間必須有足夠的距離，通過(guò)延伸的支座可以避免填料函結(jié)冰。雙壁的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能有效地減少熱傳遞，衍生的長(zhǎng)度可以根據(jù)工況的要求定，可采用波紋管密封及其它結(jié)構(gòu)適當(dāng)降低延長(zhǎng)支座的長(zhǎng)度。
3 密封結(jié)構(gòu)
3.1 材料
材料的選擇需要考慮兩個(gè)條件：
（1）材料在低溫條件下能夠保證足夠的韌性，防止在低溫下發(fā)成脆裂；
（2）材料在低溫條件下能夠保證足夠穩(wěn)定性，防止在低溫下發(fā)生變形。
隨著溫度的降低，大多數(shù)鋼材的強(qiáng)度有所增加，而韌性下降。金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的脆性稱為冷脆性，材料由延性破壞轉(zhuǎn)變到脆性破壞的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變臨界溫度。為防止發(fā)生低溫脆性破壞，鋼材的最低允許工作溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變臨界溫度。
具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體不銹鋼沒(méi)有韌脆轉(zhuǎn)變臨界溫度，不會(huì)發(fā)生低溫脆性，如304、304L、316、316L等，在低溫條件下，仍然保證足夠的韌性，但這類鋼材在室溫下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在低溫下容易發(fā)生相變。
奧氏體不銹鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，部分奧氏體變成馬氏體而引起體積變化，導(dǎo)致零件變形，這是引起閥門(mén)泄漏的一個(gè)重要原因，深冷處理可將馬氏體相變提前進(jìn)行。所以超低溫調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用穩(wěn)定性較高的材料及進(jìn)行相適應(yīng)的深冷處理。
3.2 密封結(jié)構(gòu)
常規(guī)調(diào)節(jié)閥密封常采用平面密封，如圖2，但在超低溫工況下，由于各零部件材料的熱膨脹系數(shù)、密封件在超低溫工況下的壓縮量的不同，閥門(mén)容易泄漏，所以密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)極為重要。
在平面密封的基礎(chǔ)上增加泛塞封，如圖3，泛塞封起主要密封，密封墊片起次要密封，密封結(jié)構(gòu)的可靠性大大提高。
4 檢驗(yàn)
4.1 檢驗(yàn)方法
超低溫閥門(mén)應(yīng)在常溫及超低溫環(huán)境下均滿足密封要求，常溫試驗(yàn)使用氮?dú)庾龀跏济芊鈾z測(cè)，超低溫使用圖4所示設(shè)備進(jìn)行，使用氦氣做密封檢測(cè)。
4.2 閥座密封要求
調(diào)節(jié)閥泄漏等級(jí)Ⅳ、Ⅴ級(jí)，常溫試驗(yàn)使用0.35MPa氮?dú)庾雒芊庠囼?yàn)，GB/T4213《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》明確規(guī)定了IV、V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)泄漏量。超低溫試驗(yàn)使用0.35Mpa氦氣在圖4所示設(shè)備中做密封試驗(yàn)，氦氣的分子量與氮?dú)庀嗖詈艽?，易滲漏，GB/T4213《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》標(biāo)準(zhǔn)泄漏量計(jì)算公式中未涉及分子量的影響，使用GB/T4213《氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算泄漏量顯然是不行的，GB/T24925《低溫閥門(mén)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)泄漏量計(jì)算公式未區(qū)分IV，V級(jí)，顯然使用GB/T24925《低溫閥門(mén)技術(shù)條件》計(jì)算也是不行的。
GB/T 17213《工業(yè)過(guò)程控制閥》中泄漏量計(jì)算公式中指出了分子量、溫度的影響，所以超低溫條件下試驗(yàn)閥座密封應(yīng)借鑒GB/T 17213《工業(yè)過(guò)程控制閥》標(biāo)準(zhǔn)。IV級(jí)泄漏量計(jì)算公式如下：
5 結(jié)束語(yǔ)
本文所介紹結(jié)構(gòu)經(jīng)實(shí)際驗(yàn)收，在超低溫環(huán)境下密封可靠；經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比，調(diào)節(jié)閥在超低溫環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)泄漏量應(yīng)滿足GB/T 17213《工業(yè)過(guò)程控制閥》標(biāo)準(zhǔn)要求。
參考文獻(xiàn)
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