低溫閥門特點的探討

1、低溫閥門特點的探討劉先禹, 霍金海(TGE 氣體工程有限公司, 上海200120摘要:詳述了低溫閥門不同于普通閥門的材料選用要求, 常用低溫材料最低設計溫度范圍, , 并介紹了低溫閥門特有的長頸及釋放孔結(jié)構, 以及試驗和安裝中的特點和特殊要求, , 為低溫閥門的設計, 采購, 檢測, 安裝與使用提供一定的參考。關鍵詞:低溫閥門; 性能試驗; 長頸閥蓋The Character i Va lveX HUO J in -hai(Gas Co 1L td 1, Shanghai 200031, China Abstract:bet w een the cryogenic valve and nor

2、mal valve in material select require ment, l owest de 2sign scope of cryogenic material, test and heat treat m ent character were exp lained, and the cryogenic valve s s pecial extend bonnet and release hole, and the unique test and installati on require ment were intr oduced, integrated with the l

3、ocal manufacture s common p r oble m f ound in l ong -ter m valve ins pecti on, p r ovided reference for the design, pur 2chase, test, installati on and operati on of cryogenic valves 1Key words:cryogenic valve; perfor mance test; extend bonnet作者簡介:劉先禹, 1974年11月生, 97年畢業(yè)于西北大學化工設備與機械專業(yè), TGE 氣體工程有限公司,

4、中級職稱, 現(xiàn)從事儲運工程設計工作?；艚鸷? 中國石油天然氣第六建設公司, 石化工程建設相關工作。不同標準對低溫閥門有不同定義。國內(nèi)通常把設計溫度在-40196的閥門定義為低溫閥門; 國外有的標準將其定義為-29(-20F 以下的閥門。為了適應閥門在低溫下使用的要求, 低溫閥門的材料選用, 結(jié)構形式, 試驗和安裝方法等有著一些和普通閥門不一樣的特點。筆者曾參與數(shù)個大型低溫氣體儲存系統(tǒng)的設計, 建造與試車, 對低溫閥門的監(jiān)造檢驗與安裝使用有較長時間的接觸, 以下通過對低溫閥門的選材, 結(jié)構, 試驗和安裝方面的特點加以概述, 結(jié)合筆者在工作過程中總結(jié)的國內(nèi)低溫閥門的常見問題及特點, 為低溫閥門的設

5、計, 選型, 采購等提供一定的參考。1低溫閥門材料111主材低溫閥門材料的的基本要求, 主要有以下幾點1:(1 在工作溫度下, 不產(chǎn)生低溫脆性破壞;(2 在工作溫度下, 其組織結(jié)構應穩(wěn)定, 防止材料相變引起體積變化;(3 采用焊接結(jié)構時, 焊接性能及低溫下焊縫必須可靠; (4 在低溫工況下頻繁操作, 其內(nèi)件材料無卡阻、咬合及擦傷等現(xiàn)象。表1為常用的幾種低溫用鑄鋼的中外標準對照, 特殊處理和使用溫度供參考選用2, 此外還有一些化學成分和使用溫度與上表材料相似的低溫閥門常用的鍛鋼以及銅等有色金屬材料, 限于篇幅這里就不一一列出。表1常用的幾種低溫用鑄鋼的中外標準對照分類國標牌號美標牌號日本牌號熱處

6、理使用溫度/鐵素體鑄鋼ZG25MnA352LCB G5152-SCP L1冰冷處理-46ZG20Si M n A352LCC冰冷處理-46ZG20Mn Mo A352LC1G5152-SCP L11冰冷處理-59ZG215N i A352LC2G5152-SCP L21冰冷處理-73ZG315N iA352LC3G5152-SCP L31深冷處理-101奧氏體鑄鋼ZG0Cr18N i9A351CF8G5121-SCS13深冷處理-254ZG0Cr18N i12MO2A351CF8M G5121-SCS14深冷處理-254ZG00Cr18N i10A351CF3G5121-SCS19深冷處理-2

7、54ZG00Cr17N i14MO 2A351CF3M G5121-SCS16深冷處理-254ZG0Cr18N i9Ti 深冷處理-196ZG1Cr18N i9Ti深冷處理-1967912009年37卷第5期廣州化工鐵素體低溫壓力部件一般要求做標準要求的設計溫度下的夏比沖擊實驗, 沖擊功平均值和最小值符合相關標準的要求。奧氏體不銹鋼材料由于具有良好的低溫韌性而一般無需做低溫沖擊試驗。但低溫用途的奧氏體不銹鋼閥門需要逐件采用便攜式光譜儀進行化學成分分析(P M I , 由于有色金屬材料價格的昂貴, 很多國內(nèi)材料生產(chǎn)商一般都不愿意添加足量的鉻, 鎳或鉬, 通常化學成分分析的結(jié)果都是某些有色金屬的含

8、量在標準要求含量的下限附近徘徊或干脆低于標準要求。筆者曾經(jīng)用磁鐵測試過國內(nèi)幾個閥門生產(chǎn)廠家的奧氏體不銹鋼產(chǎn)品, 無一例外均有較大的磁性, 這說明奧氏體材料中含有較多的鐵素體, 較多的鐵素體含量顯然會對材料的低溫性能有所影響。奧氏體不銹鋼材料中含有較多的鐵素體的原因有三:含碳量偏高, 有色金屬含量偏低或固溶處理不到位。低溫閥門用金屬材料在加工成型后均需要進行低溫處理:冰冷處理或深冷處理。即將工件浸泡在低溫液體(用干冰加冷凍液, 深冷處理采用液氮 (時 , 要是減少殘余應力, , 。有的廠家出于成, 對閥門的安全使用造成威脅, 必要的。112填料和墊片低溫閥門的填料和墊片要求在低溫下保持穩(wěn)定的密封

9、性能。一般常用的填料為膨脹石墨或浸漬聚四氟乙烯盤根, 常用的墊片材料為膨脹石墨或浸漬聚四氟乙烯和不銹鋼繞制而成的纏繞式墊片。低溫浮動球閥的閥體和球之間的密封材料一般采用氟塑料。需要注意的是氟塑料在低溫下有很強的收縮性, 降低密封壓緊力, 影響密封效果, 一般來說純四氟乙烯密封只能用在最低溫度-70以上的工況, 在-70以下的情況下必須改用低溫收縮較小的改性四氟乙烯密封。由于改性四氟乙烯和四氟乙烯的材料有一定的價格差, 國內(nèi)廠家在-70以下低溫中依然采用純四氟乙烯密封的很多, 所以很多國產(chǎn)閥門在常溫實驗下一切合格, 到了低溫下就現(xiàn)出原形, 內(nèi)漏不止。監(jiān)檢人員往往對金屬材料很重視, 忽視密封材料的

10、控制, 在此處必須加以注意。2低溫閥門的結(jié)構特點211長頸閥蓋, 所以當我們一看到帶長閥蓋的閥門時就基本可以判斷其為低溫用閥門。, 在低溫場合下, 大氣中的水分會在溫度低于冰點時凝結(jié), 形成一層霜凍。如果霜凍在閥桿表面形成, 當閥桿被執(zhí)行機構驅(qū)動著上下運動時, 這層霜凍有可能會被拉入填料造成撕裂, 從而破壞密封, 采用長閥桿可以保證填料函溫度不至結(jié)冰造成的破壞; 由于低溫管道一般有著較厚的保冷層厚度, 長頸閥蓋可以便于保溫施工, 并使填料壓蓋處于保冷層外, 有利于需要時隨時緊固壓蓋螺栓或添加填料而無需損壞保冷層。在進行長度選用時還需考慮設計保冷層厚度是否大于該長度, 如是則應加長以和保冷厚度匹

11、配, 結(jié)果見表2。表2通常長頸閥蓋頸部長度表公稱直徑/mm頸部長度/mm溫度T -60-100溫度T -60溫度T -100170220300501802403003504006019025045050070200260由于閥頸較長的關系, 長頸閥蓋有時無法整體鑄造成型, 一, 閥門廠和監(jiān)造人員往往忽視該道焊縫的質(zhì)量檢查而直接送往下道工序, 其實該焊接位置是非常重要的:該位置因形狀變形較大且焊接過而極易形成應力集中, 過長的閥桿也使得操作時該處將承受較大應力。所以對該焊縫必須作射線探傷。212釋放孔低溫閥門一般用于低溫液化氣體介質(zhì), 此類介質(zhì)在溫度升高的情況下會氣化膨脹, 如閥門內(nèi)存在密閉的空

12、間, 空間中積液氣化時會造成閥門內(nèi)壓提高數(shù)倍而泄漏, 嚴重的會使得閥體開裂造成事故。球閥在全閉和全開時, 以及閘閥在全閉時都會形成密閉空間, 為解決這個問題低溫球閥和閘閥上一般都會設置釋放孔以連通密閉空間和流道, 。就是這么簡單的釋放孔居然也有廠家開錯位置的:筆者曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)國內(nèi)某大型閥門廠的低溫球閥釋放孔只能在閥門打開的情況下起到作用, 而在關閉時, 釋放孔只是通往另一個密閉空間, 無法起到完全釋放的作用。釋放孔在閥門內(nèi)的開口方向一般是開向閥門進口方向的, 這是因為進口方向壓力高, 在閥門關閉時會將閥瓣或球體推向出口側(cè), 出口側(cè)密封面能獲得較高的比壓, 密封效果較好, 這就是為什么低溫的球閥和閘

13、閥上會標有流向箭頭而常溫的球閥和閘閥上沒有流向箭頭的原因, 在安裝時一定要加以注意閥門的安裝方向。3低溫閥門的試驗和安裝311試驗閥門的試驗一般分為出廠試驗和型式試驗兩種。前者為每891廣州化工2009年37卷第5期一閥門出廠前均需做的檢驗, 后者為同一型號閥門定型時或停產(chǎn)一段時間后恢復生產(chǎn)需做的試驗, 無須100%檢驗, 按相關標準抽樣即可。表3一般閥門的出廠和型式試驗項目3閘閥截止閥球閥蝶閥出廠試驗強度試驗密封性能試驗上密封試驗××型式試驗連續(xù)啟閉無故障次數(shù)最大啟閉力矩防靜電試驗×××防火試驗流量試驗, 廠壓力試驗介質(zhì)為水, , , , ,

14、 故而點。國內(nèi)企業(yè)出于氣體試驗不安全的考慮一般還是以水作為試驗介質(zhì), 但試驗結(jié)束后需將閥門內(nèi)腔的積水吸出, 并將閥門在半開狀態(tài)下風干(閥門在半開狀態(tài)下內(nèi)腔和填料部分和空氣接觸較好, 便于干燥 。以上試驗均為常溫下的閥門性能及可靠性試驗, 為了保證閥門在低溫下的性能, 低溫閥門還需要進行低溫性能試驗, 船用低溫閥門必需逐個進行低溫性能試驗, 其他閥門按照閥門類型和比例抽樣進行試驗(具體按照用戶要求 , 低溫性能試驗原理如下:將閥門在低溫下進行開啟和關閉操作, 用氦氣(氦氣在-196液氮中不會液化且分子較小 驗證其在低溫下的強度和密封性能。不同的試驗標準在降溫方法, 試驗步驟以, 試驗壓力, 以及

15、合格標準上有一定的差別, 圖1為英國BS6364標準中典型的試驗裝置簡圖3。圖1英國BS6364標準中典型的試驗裝置簡圖國內(nèi)廠家目前很少有固定的安全可靠的低溫實驗設施, 大多是到要做試驗了臨時準備一些閥門, 管道, 測量儀表, 保溫箱之類的拼湊而成, 由于要求閥門在低溫并有較高壓力下操作, 閥門失效的話就可能造成液氮飛濺, 威脅操作者安全, 故而廠家的操作規(guī)程中往往會減少閥門低溫中開啟次數(shù)且降低試驗壓力。312安裝低溫閥門的安裝亦有其特殊要求:閥桿方向必須在垂直向上的45度角范圍內(nèi), 且應盡量避免安裝在垂直管線上。這是由于低溫介質(zhì)一般都是液化氣體, 當閥桿方向向下或水平安裝時, 介質(zhì)的液體會滲

16、入填料函, 不斷吸收長頸閥蓋及閥桿的熱量, 介質(zhì)吸熱氣化后回到管道中, 同時新的液體不斷滲入填料函繼續(xù)熱交換, 這樣的結(jié)果是閥桿及手輪溫度的降低可能會對操作者帶來傷害, 而系統(tǒng)不斷的吸入能量; 而當閥桿向上安裝時, 填料, 由于氣體傳熱效果較差, 間傳熱的作用。在空分裝置。其解決方法是。、低溫下工作, 溫度變化范圍很大。同時, 閥門的, 流通部分處于低溫。為了減少冷損, 閥桿往往做得很長, 也就容易產(chǎn)生變形而卡住。低溫閥門往往是在常溫下轉(zhuǎn)動靈活, 低溫下就很緊, 甚至打不開。閥門在低溫下卡住的主要原因有:(1 安裝時, 閥門與管道配置不合理而產(chǎn)生預應力; 或管道冷補償能力差, 低溫下閥位改變;

17、 或閥門缺少支架, 在低溫產(chǎn)生變形; 或閥門固定不當, 保冷箱在低溫下變形而影響閥桿與閥體的同心度。(2 在設計上, 有些閥門由于閥桿與閥套的材質(zhì)不同, 線膨脹系數(shù)不同。一般閥桿用不銹鋼, 線膨脹系數(shù)為1173×10-6-1; 閥套為黃銅, 線膨脹系數(shù)為1919×10-6-1, 即黃銅的收縮比不銹鋼大, 低溫下可能將絲扣咬住。特別是當采用暗桿結(jié)構及細牙螺紋時, 絲扣的溫度變化范圍大, 螺紋間隙小, 更容易產(chǎn)生咬住的現(xiàn)象。(3 在運轉(zhuǎn)中, 由于閥門內(nèi)腔干燥不徹底, 或閥門填料含水, 在低溫下造成凍結(jié), 或在常溫下將閥門關閉過緊, 使絲扣咬壞等。為了防止發(fā)生閥門卡住的現(xiàn)象, 在設計上宜采用明桿結(jié)構和粗牙梯形螺紋; 在安裝上應在閥門