超低溫調(diào)節(jié)閥設(shè)計與試驗

母文豪, 付 豪

(艾坦姆流體控制技術(shù)(山東)有限公司， 山東濟寧 272000)

對于調(diào)節(jié)閥來說，密封是設(shè)計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)前國際形勢與國內(nèi)能源發(fā)展的需求，在空分行業(yè)和天然氣液化行業(yè)推進超低溫調(diào)節(jié)閥國產(chǎn)化迫在眉睫。超低溫調(diào)節(jié)閥是一種在-100 ℃介質(zhì)中工作的閥門。隨著國內(nèi)經(jīng)濟飛速發(fā)展，低溫產(chǎn)品需求量及產(chǎn)量日漸增長，液氧、液氮、液氦及液化天然氣等被廣泛應(yīng)用。液氦的溫度為-254 ℃，液氮的溫度為-196 ℃，液氧的溫度為-183 ℃，液化天然氣的溫度為-162 ℃，這些產(chǎn)品的分餾、儲存和運輸都需要使用大量的超低溫閥。超低溫調(diào)節(jié)閥的用量逐漸增大，用戶對超低溫調(diào)節(jié)閥的技術(shù)性能要求也在逐漸提高。

1 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(見圖1)，通過閥芯實現(xiàn)對介質(zhì)流量和壓力的調(diào)節(jié)。在低溫工況下，閥體與執(zhí)行機構(gòu)間必須有足夠的距離，通過延伸的支座可以避免填料函結(jié)冰。雙壁的設(shè)計結(jié)構(gòu)能有效地減少熱傳遞，延伸的長度可以根據(jù)工況的要求決定，可采用波紋管密封及其他結(jié)構(gòu)適當(dāng)降低延長支座的長度。

1—閥體； 2—支座； 3—上閥蓋； 4—閥座； 5—閥芯； 6—套管。

2 密封結(jié)構(gòu)

2.1 材料

材料的選擇需要考慮2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)生脆裂。

(2) 材料在低溫條件下能夠保證足夠的穩(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(如304、304L、316、316L等)沒有韌脆轉(zhuǎn)變臨界溫度，不會發(fā)生低溫脆性破壞，在低溫條件下，仍然能保證足夠的韌性，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，部分奧氏體由于變成馬氏體而引起體積變化，導(dǎo)致零件變形，這是引起閥門泄漏的一個重要原因。深冷處理可以將馬氏體相變提前進行,因此超低溫調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用穩(wěn)定性較高的材料并進行相適應(yīng)的深冷處理[1]。

2.2 密封結(jié)構(gòu)

常規(guī)調(diào)節(jié)閥密封常采用平面密封(見圖2)。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，閥門容易泄漏，所以密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計極為重要。在平面密封的基礎(chǔ)上增加泛塞封，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。改進后的密封結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 通用密封

1—支座(上蓋)；2—閥體(支座)；3—密封墊；4—泛塞封。

3 檢驗

3.1 檢驗方法

超低溫調(diào)節(jié)閥應(yīng)在常溫及超低溫環(huán)境下均滿足密封要求，常溫試驗使用氮氣進行初始密封檢測。閥門低溫試驗裝置見圖4[2-3]。

圖4 閥門低溫試驗裝置

3.2 閥座密封要求

調(diào)節(jié)閥泄漏等級為Ⅳ、Ⅴ級時，常溫狀態(tài)下的試驗使用0.35 MPa氮氣進行密封試驗，并依據(jù)GB/T 4213—2008 《氣動調(diào)節(jié)閥》中規(guī)定的Ⅳ、V級標(biāo)準(zhǔn)泄漏量進行核驗。超低溫狀態(tài)下的試驗則使用0.35 MPa氦氣在閥門低溫試驗裝置(見圖4)中進行密封試驗;氦氣的分子量與氮氣相差很大，易滲漏，由于GB/T 4213—2008標(biāo)準(zhǔn)泄漏量計算公式中未涉及分子量的影響，所以使用GB/T 4213—2008計算泄漏量顯然是不行的，而GB/T 24925—2019 《低溫閥門 技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)泄漏量計算公式未區(qū)分Ⅳ、V級，所以使用GB/T 24925—2019計算泄漏量顯然也是不行的[1,4-5]。

GB/T 17213—2015 《工業(yè)過程控制閥》的泄漏量計算公式中指出了分子量、溫度對泄漏量的影響，所以在超低溫條件下試驗閥座密封應(yīng)借鑒GB/T 17213—2015。Ⅳ級泄漏量的計算公式[1,4-5]如下：

(1)

式中：qV為體積流量；N為數(shù)字常數(shù)；FP為管道幾何形狀參數(shù)；C為流量系數(shù);p1為閥前靜壓力；Y為膨脹系數(shù)；x為壓差與入口絕對壓力之比；T1為入口絕對溫度；Z為壓縮系數(shù);M為分子質(zhì)量。

4 結(jié)語

該超低溫調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)經(jīng)實際驗收，在超低溫環(huán)境下密封可靠；經(jīng)過實際對比，該超低溫調(diào)節(jié)閥在超低溫環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)泄漏量滿足GB/T 17213—2015要求。