低溫截止閥設計要求
上海申弘閥門有限公司
低溫截止閥設計要素
之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹 低溫截止閥設計要求低溫截止閥形狀與普通截止閥基本相同，不同之處是閥蓋是長頸的，有的還有換熱薄片，但兩者設計上有區別。
低溫閥門，特別是超低溫閥門，其工作溫度極低。在設計這類閥門時，除了應遵循一般閥門的設計原則外，還有一些特殊要求。
1．低溫截止閥設計要求
根據使用條件，低溫閥的設計有下列要求：
(1)閥門在低溫介質及周圍環境溫度下應具有長時間工作的能力，一般使用壽命為10年或3000~ 5000次循環。
(2)閥門不應成為低溫系統的一個顯著熱源。這是因為熱量的流人除降低熱效率外，如流入過多，還會使內部流體急速蒸發，產生異常升壓，造成危險。
(3)低溫介質不應對手輪操作及填料密封性能產生有害的影響。
(4)直接與低溫介質接觸的閥門組合件應采用防爆和防火材料。
(5)在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結構措施，以防止摩擦件擦傷。
2．低溫截止閥材料
(1)低溫閥主體材料
1)主體材料選用應考慮的因素。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下會出現低溫脆性，從而降低閥門的強度和使用壽命。選擇主體材料時首先要選用適合低溫下工作的材料。表1一13規定了幾類材料的zui低使用溫度。
表1-13幾類材料的zui低使用溫度
鋁在低溫下不會出現砥溫脆性，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，所以在低溫閥門中的使用有一定的限制，僅在低壓和小口徑閥中選用。
除此以外，低溫閥門的材料選用還應考慮以下一些因素：
①閥門的zui低使用溫度；
②金屬材料在低溫下保持工作條件所需要的力學性能，特別是沖擊韌度、相對延伸率及組織穩定性；
③在低溫及無油潤滑的情況下，具有良好的耐磨性：
④采用焊接連接時還需考慮材料的焊接性能。
2)閥體、閥蓋、閥座、閥瓣材料的選用。這些主體零部件材料的選用原則大致是：溫度高于- loOoC時選用鐵素體鋼；溫度低于- 100℃時選用奧氏體鋼；低壓及小口徑閥門可選用銅和鋁等材料。設計時根據zui低使用溫度選擇適當的材料。表1—14列出了日本低溫閥門中使用的具有代表性的材料；表1—15列出了這些材料的化學成分及力學性能。
表1-14閽體低溫材料zui低使用溫度
3)閥桿及緊固件的材料選用。溫度高于- loOOc時，閥桿和螺栓材料采用Ni、Cr—Mo等合金鋼，經適當的熱處理，以提高抗拉強度和防止螺紋咬傷等。
溫度低于- 100 cC時，采用奧氏體不銹鋼或耐酸鋼制造。但18—8耐酸鋼硬度低，會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，同時在螺紋表面涂二硫化鉬。
低溫閥門的閥桿和緊固件常用材料的化學成分和力學性能見表1—16。
(2)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，會使密封性能下降，容易引起泄漏。石棉填料無法避免滲透性泄漏。橡膠對液化天然氣有泡脹性，在低溫下不可采用。
在低溫閥門設計中，一方面有結構設計來保證使填料處于接近環境溫度下工作，例如采用長頸閥蓋結構，使填料函離低溫介質盡量遠些，另一方面在選擇填料時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10%近1來發展起來的一種優良的密封材料。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，用做閥門填料可以防止填料與閥桿的磨損。柔性石棉填料使用溫度范圍為一200~ 870℃．
低溫閥門也可采用無填料的波紋管密封結構。但單層波紋管即使采用加強環，其使用壽命仍然很短。這是由于低溫閥中閥門快速關閉或液體管道中可能存在氣穴等引起水擊所致，但使用多層波紋管就可以大大提高閥門的使用壽命。
低溫閥門用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復原性。由于墊片材料低溫下會硬化和降低塑性，所以應選擇性能變化小的墊片材料。
適用溫度為一200℃，zui高使用壓力為3MPa時．采用長纖維白石棉的石棉橡膠板。
適用溫度為一200℃，zui高使用壓力為5MPa時，采用耐酸鋼帶夾石棉纏制而成的纏繞式墊片'或聚四200烯和耐酸鋼帶繞制而成的纏繞式墊片。柔性石棉與耐酸鋼帶繞制而成的纏繞式墊片用于一200℃的低溫閥門上比較理想。表l一17中的應用實例，可供設計參考。
表1.17美國、日本幾家公司墊片、填料的選用情況
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥聚四氟乙烯石棉編織材料或柔性石墨填料石棉纏繞式墊片或柔性石墨纏繞式墊片
3．低溫截止閥的特殊結構
低溫截止閥的主要結構與一般閥門大致相同，但有其特殊之處。
(1)閥體閥體應麓充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮，而且閥座部位的結構不會因溫度變化而產生*變形。
(2)閥蓋采用長頸閥蓋結構，如圖1—25所示。其目的在于保護填料函。填料函的密封性是低溫閥的關鍵因素之一。該處如有泄漏，將降低保冷效果，導致液化氣體氣化。這是因為在低溫狀態下隨著溫度的降低，填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降，由于介質滲漏造成填料與閥桿處結冰，影響閥桿正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結構形式。此外，長頸結構還便于纏繞保冷材料。
長頸閥蓋的頸長（見圖l-26）由材料的導熱系數、導熱面積及表面傳熱系數等因素來決定，同時也要滿足保冷層厚度的需要。頸長可用試驗方法求得，表1-18是考慮到標準低溫閥門使用溫度和保冷材料的厚度而設計的長頸閥蓋的頸部長度。
(3)密封。
(4)閥瓣截止閥的密封面采用錐形的結構形式，不論溫度如何變化，均能保持可靠的閥桿閥桿需鍍鉻、鍍鎳磷或經氮化處理，以提高閥桿表面硬度，防止閥桿與填料、 填料壓套（蓋）相互咬死，損壞密封填料，造成填料函泄漏。
(5)墊片墊片選用要考慮墊片材料的低溫性能，如壓縮回彈性、預緊力、緊固壓力毋布以及應力松弛特性等。
(6)填料函及填料填料函不能與低溫段直接接觸，而設在長頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠的位置，在O℃以上的溫度環境下工作。這樣，提高了填料函的密封效果。在泄漏時，或當低溫流體直接接觸填料造成密封效果下降時，可以從填料函中間加入潤滑脂形成淮封層，降低填料函的壓差，作為輔助密封措施。填料函多采用帶有中間金屬隔離環的二段填料結構，也有的采用一般閥門填料函結構和閥桿能自緊的二重填料函結構等其他形式。
(7)上密封低溫閥都設上密封座結構，上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質合金，精加工后研磨。
(8)閥座、閥瓣、密封面低溫閥的關閉件采用鈷鉻鎢硬質合金堆焊結構。軟密封結構由于聚四氟乙O膨脹系數大，低溫變脆，所以僅適用于溫度高于一700C的低溫閥，但聚三氟乙烯可用于- 162C的低溫閥。
(9)中法蘭螺栓
1)螺栓應有足夠的強度，這是因為螺栓在反復載荷下工作，常會因疲勞而發生斷裂。
2)因螺栓在螺紋根部易引起應力集中，所以采用全螺紋結構的螺栓。
3)擰緊螺栓的預緊力犬小不均勻時，易產生疲勞破壞，所以用力矩扳手來擰緊螺栓。
(10)保冷又稱隔溫板，如圖1-25所示，是一塊焊在填料函下部長頸部分的圓形板。其主要作一是支持保溫材料，二是提高保溫效果。
(11)預防異常升壓的措施閥門關閉后，閥腔內會殘留一些液體。這些殘留在閥腔里的液體會吸收大氣中的熱量，回升到常溫并重新氣化。氣化后，其體積激劇膨脹，約增加600倍之多，因而產生*的壓力，并作用于閥體內部。這種情況稱為異常升壓，這是低溫閥門*的現象。例如，液化天然氣在一1620C時壓力為0.2~0.4MPa，當溫度回升到20℃時，壓力增加到29. 3MPa。發生異常升壓現象時，會使閥板緊壓在閥座上，導致閥板不能開啟。這時，高壓會將中法蘭墊片沖出或沖壞填料，也可能引起閥體、閥蓋變形，使閥座密封性顯著下降，甚至閥破裂，造成嚴重事故。
為防止異常升壓現象發生，一般低溫閥門在結構上設置泄壓孔（又稱壓力平衡孔或排氣孔），作為閥體內腔和進口側的壓力平衡孔。當閥腔壓力升高時，氣體可以通過小孔排出。這種方法比較簡單，目前已被廣泛采用。
采用泄壓孔防止異常升壓，在閥體設計時，應有指示流體流向的箭頭；安裝時，要注意泄壓孔的位量，保證泄壓孔通向介質入口的一側。
泄壓孔開設的位置視閥門結構而定，有的在閥體上，這針對特殊截止閥而言。常見的截止閥中腔都與人口端相通，就不需要設計泄壓孔。與本文相關的產品有美標鈦截止閥
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