2021-07-07
設計溫度低于100℃的調節(jié)閥為超低溫調節(jié)閥，零下100℃的介質具有特殊性，對調節(jié)閥的影響是持續(xù)的，所以在設計與試驗中，除了考慮閥門的常規(guī)設計與制造，還應考慮在-100℃下材料的性能。本文主要介紹了調節(jié)閥在超低溫環(huán)境下如何保證良好的密封；超低溫環(huán)境下泄漏量的計算方法。
1 引言
對于調節(jié)閥來說，密封是設計需要考慮的首要條件，合理的結構是避免泄漏的先決條件。根據當前國際形勢與國內能源發(fā)展的需求，在空分和天然氣液化行業(yè)推進超低溫調節(jié)閥國產化極其迫切。超低溫調節(jié)閥是一種在零下100℃介質中工作的閥門。隨著國內經濟飛速發(fā)展，低溫產品需求及產量日漸增長，液氧、液氮、液氦以及液化天然氣等被廣泛地應用。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 ℃，這些產品的分餾、儲存和運輸都需要使用大量的超低溫閥門。超低溫閥門的用量逐漸增大，用戶對超低溫閥的技術性能要求也在逐漸提高。
2 工作原理
超低溫調節(jié)閥主要由閥體、支座、上閥蓋、閥座、閥芯、套管等組成，通過閥芯實現對介質流量和壓力的調節(jié)。在低溫工況下，閥體與執(zhí)行機構間必須有足夠的距離，通過延伸的支座可以避免填料函結冰。雙壁的設計結構能有效地減少熱傳遞，衍生的長度可以根據工況的要求定，可采用波紋管密封及其它結構適當降低延長支座的長度。
3 密封結構
3.1 材料
材料的選擇需要考慮兩個條件：
（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，大多數鋼材的強度有所增加，而韌性下降。金屬材料在低溫下呈現的脆性稱為冷脆性，材料由延性破壞轉變到脆性破壞的溫度稱為韌脆轉變臨界溫度。為防止發(fā)生低溫脆性破壞，鋼材的最低允許工作溫度應高于韌脆轉變臨界溫度。
具有面心立方晶格結構的奧氏體不銹鋼沒有韌脆轉變臨界溫度，不會發(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變溫度時，部分奧氏體變成馬氏體而引起體積變化，導致零件變形，這是引起閥門泄漏的一個重要原因，深冷處理可將馬氏體相變提前進行。所以超低溫調節(jié)閥應選用穩(wěn)定性較高的材料及進行相適應的深冷處理。
3.2 密封結構
常規(guī)調節(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、密封件在超低溫工況下的壓縮量的不同，閥門容易泄漏，所以密封結構的設計極為重要。
在平面密封的基礎上增加泛塞封，如圖3，泛塞封起主要密封，密封墊片起次要密封，密封結構的可靠性大大提高。
4 檢驗
4.1 檢驗方法
超低溫閥門應在常溫及超低溫環(huán)境下均滿足密封要求，常溫試驗使用氮氣做初始密封檢測，超低溫使用圖4所示設備進行，使用氦氣做密封檢測。
4.2 閥座密封要求
調節(jié)閥泄漏等級Ⅳ、Ⅴ級，常溫試驗使用0.35MPa氮氣做密封試驗，GB/T4213《氣動調節(jié)閥》明確規(guī)定了IV、V級標準泄漏量。超低溫試驗使用0.35Mpa氦氣在圖4所示設備中做密封試驗，氦氣的分子量與氮氣相差很大，易滲漏，GB/T4213《氣動調節(jié)閥》標準泄漏量計算公式中未涉及分子量的影響，使用GB/T4213《氣動調節(jié)閥》標準計算泄漏量顯然是不行的，GB/T24925《低溫閥門技術條件》標準泄漏量計算公式未區(qū)分IV，V級，顯然使用GB/T24925《低溫閥門技術條件》計算也是不行的。
GB/T 17213《工業(yè)過程控制閥》中泄漏量計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閥座密封應借鑒GB/T 17213《工業(yè)過程控制閥》標準。IV級泄漏量計算公式如下：
5 結束語
本文所介紹結構經實際驗收，在超低溫環(huán)境下密封可靠；經過實際對比，調節(jié)閥在超低溫環(huán)境下的標準泄漏量應滿足GB/T 17213《工業(yè)過程控制閥》標準要求。
參考文獻
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