超低溫調節閥的設（shè）計與實驗

2021-07-07 瀏覽量：3558

      設計溫度低於100℃的調節（jiē）閥為超低（dī）溫調節閥，零下100℃的介質具有特殊性，對調節閥的影響是持續的，所以在設計與試驗中，除了（le）考慮閥門的常規設計與製造，還應（yīng）考慮在-100℃下材料的性能。本文（wén）主要介紹了調（diào）節閥在超低溫環境下如何保證良好的密封；超低溫環境下泄漏量的計算方法。

      1 引言

      對於調節閥來說，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（shì）與國內（nèi）能源發展的需（xū）求，在空分和天然氣液化行業（yè）推進超低溫調節閥國產化極其迫切。超低溫調節閥是一（yī）種在零下100℃介質中工作的閥門。隨著國內經濟飛速發展（zhǎn），低溫產品需求及產量日（rì）漸增長，液（yè）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（yè）氮的（de）溫度-196 ℃，液氧的溫度（dù）-183 ℃，液化天然氣（qì）的溫度（dù）-162 ℃，這些產品的（de）分餾、儲存和（hé）運輸都需要（yào）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（yě）在逐漸提高。

      2 工作原理

      超（chāo）低溫（wēn）調節閥主要由閥體、支座（zuò）、上閥蓋、閥座、閥芯、套管等組成，通過閥芯實現對介質流量（liàng）和壓力的調節。在低溫工況下，閥體與執行機構間必須有（yǒu）足夠的距離，通過延（yán）伸的支座可（kě）以（yǐ）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（yào）求定，可采用波（bō）紋管密（mì）封及其它結構（gòu）適當降低延長支座（zuò）的長（zhǎng）度。

      3 密封結構

      3.1 材料

      材料的選擇需要考慮兩（liǎng）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（dī）溫下發成脆裂；

      （2）材料在低（dī）溫條件（jiàn）下能夠保證足夠穩定性，防止（zhǐ）在低溫下發生變（biàn）形。

      隨著溫度（dù）的降低，大多數鋼材的強度有所增加，而韌性下降。金屬材料（liào）在低溫下呈現的脆性（xìng）稱為冷脆性，材料（liào）由延性（xìng）破壞轉（zhuǎn）變到脆性破壞的溫度稱為韌脆轉變臨界溫度。為防止發生低溫脆性破壞，鋼材的最低（dī）允許工作溫度應高於韌脆轉變臨界溫度。

      具有麵心立方晶格結構的奧氏體不鏽鋼沒有韌脆轉（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（jiàn）下，仍然保證足夠（gòu）的韌性，但這類鋼材在室溫下處於（yú）亞穩定狀態，在低溫下容易發（fā）生相變。

      奧氏（shì）體不（bú）鏽鋼（gāng）在馬（mǎ）氏體轉變（biàn）溫度時，部（bù）分奧氏體變成馬（mǎ）氏體而引起體積變（biàn）化，導（dǎo）致零件變形，這（zhè）是引起閥門泄漏的一個重要（yào）原因，深冷處理可將馬氏體相變提前進行（háng）。所以超低溫調節閥應選用穩定性較高的材料（liào）及進行相適應的深冷處理。

      3.2 密封結構

      常規調節閥密封常采用平麵密封，如（rú）圖（tú）2，但在超低溫工況下（xià），由於各零部件材料的熱（rè）膨脹（zhàng）係數、密封件在超（chāo）低溫工況下的壓縮量的不同，閥門容易（yì）泄漏，所以密封結構的設計極為重要（yào）。

      在平（píng）麵密封的基礎上增加泛（fàn）塞封（fēng），如圖3，泛塞封起主要（yào）密封（fēng），密封墊片起次（cì）要（yào）密封，密（mì）封結構的可靠性大大提高（gāo）。

      4 檢驗

      4.1 檢驗方法

      超低溫閥門應在（zài）常溫及超低溫環境下均滿足密封要（yào）求，常溫（wēn）試驗使（shǐ）用（yòng）氮氣做初始密封檢（jiǎn）測，超低溫使用圖4所（suǒ）示設（shè）備進行，使用氦氣做密封檢測。

      4.2 閥座密封要求

      調節閥泄漏等級Ⅳ、Ⅴ級，常溫試驗使用（yòng）0.35MPa氮氣做密封試驗，GB/T4213《氣動調節閥》明確規定了IV、V級標準泄漏量。超低溫試驗使用0.35Mpa氦（hài）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（lòu），GB/T4213《氣動調節（jiē）閥》標準泄（xiè）漏（lòu）量計算（suàn）公式中未（wèi）涉及分子量的影響，使用GB/T4213《氣動調節閥》標準計算（suàn）泄漏量顯然是不行的，GB/T24925《低（dī）溫閥門技術條件》標準（zhǔn）泄漏量計算公式未區分IV，V級，顯然使用GB/T24925《低溫閥門技術（shù）條件》計算（suàn）也（yě）是不行的。

      GB/T 17213《工業過程控製閥》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（wēn）條件下試驗閥座（zuò）密封（fēng）應借鑒GB/T 17213《工業過程控製閥》標準。IV級泄漏量計算公式如下：

      5 結束語

      本文所介紹（shào）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，調節閥在超低溫環境下的標準泄漏量應滿足GB/T 17213《工業過程控製閥》標準要求。

      參考文獻（xiàn）

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      [3]GB/T4213-2008 氣（qì）動調節閥[S]

      [4]GB/T24925-2019 低溫閥（fá）門技術條件[S]

      [5]GB/T17213 工業過程控製閥[S]