淺談低溫閥門設(shè)計應(yīng)注意的事項

摘要：介紹了設(shè)計低溫閥門時需要注意的事項，闡述了奧氏體不銹鋼組織中易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的幾點原因，并對低溫閥門特有的結(jié)構(gòu)進行了論述，為廣大用戶和設(shè)計人員選擇、使用和設(shè)計低溫閥門提供了參考。

關(guān)鍵詞：低溫閥門;設(shè)計;結(jié)構(gòu);奧氏體穩(wěn)定性系數(shù)

中圖分類號：TH134 ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ?文章編號：1671-0797（2022）02-0080-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.022

0 ? ?引言

隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，低溫領(lǐng)域產(chǎn)品的應(yīng)用逐漸增多，如石油化工、醫(yī)藥、軍工、清潔能源等行業(yè)，都會使用到大量的低溫設(shè)備和低溫閥門，低溫閥門是設(shè)備中關(guān)鍵的控制單元，其安全穩(wěn)定運行是保證系統(tǒng)正常生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。低溫介質(zhì)因其特殊性，對低溫閥門的產(chǎn)品質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求。

1 ? ?產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

近年來，我國低溫領(lǐng)域閥門的產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范越來越齊全。從表1可以看出，在國際上大多數(shù)的低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)中，通常把工況溫度低于-50 ℃的列為低溫閥的范疇，而國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)則是工況溫度低于-29 ℃就已經(jīng)被納入低溫閥的范疇了。不同的產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)存在著不同的技術(shù)要求，產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)正文中會給出此標(biāo)準(zhǔn)所適用的公稱壓力、公稱尺寸、溫度范圍、介質(zhì)、類型等信息，用戶或設(shè)計人員在采購、設(shè)計相關(guān)低溫閥門時，應(yīng)首先根據(jù)自己所需閥門的行業(yè)及工況選擇合適的產(chǎn)品設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2 ? ?材料的選擇及處理

大多數(shù)金屬和非金屬材料在低溫下其韌性會有所下降，溫度越低，韌性越差。判斷低溫閥門承壓件材料好，不僅需要其具備良好的化學(xué)成分配比、合適的熱處理工藝、較高的力學(xué)性能，還有一個重要考核指標(biāo)就是材料的低溫沖擊值。而低溫沖擊試驗是檢驗材料在低溫下韌性好壞的主要依據(jù)，低溫沖擊試驗的試驗溫度一般為材料的最低使用溫度。

對于使用溫度低于-101 ℃的低溫閥門，通常最理想、經(jīng)濟的承壓件材料就是奧氏體不銹鋼，國內(nèi)常用的材料有304、304L、316、316L四種。

但奧氏體不銹鋼在冷加工工藝制造過程中及低溫環(huán)境下，易促進材料內(nèi)部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，即發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體組織的轉(zhuǎn)變將直接影響奧氏體不銹鋼在低溫下的穩(wěn)定性，即產(chǎn)生的馬氏體單位體積比奧氏體大約1.7%[1]，因此轉(zhuǎn)變將引起體積增大，使材料出現(xiàn)塑性變形，從而破壞原有設(shè)計結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致閥門內(nèi)漏或外漏。材料冷卻到某一溫度時開始發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，稱該溫度為馬氏體臨界轉(zhuǎn)變溫度Ms（單位為oF），其可通過以下經(jīng)驗公式[2]預(yù)測：

Ms=75（14.6-Cr）+110（8.9-Ni）+60（1.33-Mn）+

50（0.47-Si）+3 000[0.068-（C+N）] ?（1）

如果材料的Ms點遠低于閥門的最低使用溫度，則認(rèn)為材料在低溫下是穩(wěn)定的，如果材料的Ms點臨近或高于閥門的最低使用溫度，則需要材料在精加工前通過不少于兩次深冷處理的方式，提前促使殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，使轉(zhuǎn)變和變形充分進行后再進行精加工，以滿足材料在低溫下的穩(wěn)定性。

冷加工也是導(dǎo)致奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織及奧氏體產(chǎn)生磁性的主要因素之一，通過經(jīng)驗公式預(yù)測材料的MD30（材料在30%冷變形作用下產(chǎn)生50%馬氏體的溫度，單位為oF）點，來判斷材料是否有冷加工奧氏體轉(zhuǎn)變馬氏體的傾向。如果MD30點遠低于常溫，則奧氏體不銹鋼在冷加工時就不會產(chǎn)生馬氏體，此值越小，磁性也越低。

MD30=413-462（C+N）-9.2Si-8.1Mn-

13.7Cr-9.5Ni-18.5Mo[2] ? ? ?（2）

相變點Ms、MD30是預(yù)測奧氏體不銹鋼材料在低溫下及冷加工時產(chǎn)生馬氏體組織的方法。還可以查看舍夫勒組織圖（圖1），利用鉻和鎳當(dāng)量計算焊接時焊縫和鑄造奧氏體不銹鋼內(nèi)的組織成分以及通過計算奧氏體穩(wěn)定性系數(shù)（Δ）來對奧氏體不銹鋼組織、性能進行綜合判定。

鉻和鎳當(dāng)量的計算公式如下：

Creq=%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb ? ? ? （3）

Nieq=%Ni+30%C+0.5%Mn ? ? ? ? ? （4）

奧氏體穩(wěn)定性系數(shù)（Δ）計算公式如下：

Griffith和Wright計算公式：

Δ=Ni-[（Cr+1.5Mo-20）2/12-

0.5Mn-35C-Cu-27N+15] ? ? ? ? （5）

修改后Post and Eberly計算公式：

Δ=Ni+0.5Mn+35C-0.083 3（Cr+1.5Mo-20）2-12 （6）

如果Δ計算結(jié)果為負(fù)數(shù)，則表示當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重應(yīng)變時，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的趨勢很大。300系列不銹鋼中的鎳含量超過10.5%時，Δ通常為正值，材料是穩(wěn)定的[2]。

304、304L均屬于亞穩(wěn)定奧氏體不銹鋼，國外低溫閥門廠家大多會采用316奧氏體不銹鋼或316/316L雙證奧氏體不銹鋼作為閥門承壓件，316/316L雙證奧氏體不銹鋼即化學(xué)成分符合316L要求，力學(xué)性能滿足316不銹鋼要求。316L與316的化學(xué)成分區(qū)別在于，316L具有較低的碳含量，使其具有更好的耐晶間腐蝕能力，有利于減少焊接過程中碳化物的析出，且具有較高的鎳元素含量上限。

3 ? ?結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 ? ?冷箱與非冷箱閥門

冷箱通常是指為了保證低溫設(shè)備的保冷效果，將低溫設(shè)備及其管道置于一個或多個充填有絕熱材料的“箱體”中，以實現(xiàn)絕熱。其分為圓柱形冷箱、方形冷箱，如圖2所示。

為了便于操作管理和維護，要求在冷箱內(nèi)的低溫閥門其閥桿填料函底部必須延伸至冷箱面板外部，其底部溫度須高于0 ℃，以保證填料的密封性能，且能在冷箱不扒砂的情況下抽出閥芯進行維修[3]。典型的冷箱用閥門如圖3所示，圖中H值為管道中心到冷箱面板的距離，H1為管道中心到填料函底部的距離。對于除冷箱以外的低溫閥門，統(tǒng)稱為“非冷箱低溫閥門”。

3.2 ? ?閥蓋加長頸

設(shè)計低溫閥門時，需要對閥蓋頸部進行加長設(shè)計，目的是保證填料處不會因為低溫介質(zhì)的溫度傳導(dǎo)而導(dǎo)致填料部位出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象。填料處一旦結(jié)冰，閥門動作時極有可能破壞密封，造成閥門填料函處介質(zhì)的外漏。

值得注意的是，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24925—2019、JB/T 12621—

2016、BS 6364：1984、MSS SP-134—2012及殼牌規(guī)范MESC SPE 77/200—2019等均對閥蓋加長頸的最低高度給出了規(guī)定，設(shè)計人員在設(shè)計使用時不能盲目直接采用，因為其給出的最低值可能并不滿足所有工況下的相應(yīng)需求，設(shè)計人員最好根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)、工況條件、安裝時的角度和位置及保溫層包覆等情況通過有限元軟件進行模擬分析，以確定適合自身工況的頸部加長高度。加長頸部分可以與閥蓋一體鑄造或鍛造，也可以采用性能不低于本體材料的無縫鋼，用全焊透方式與閥蓋對焊，焊后須進行射線檢測，以保證焊縫質(zhì)量。

為了確保閥蓋加長頸結(jié)構(gòu)設(shè)計是有效的，閥門安裝時應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)安裝角度的要求：傳輸液態(tài)介質(zhì)的閥門、非冷箱用閥門，應(yīng)能在地面上以與地面成不小于45°的方向操作閥桿;冷箱用閥門，應(yīng)能在地面上在與地面成15°～90°的方向內(nèi)操作閥桿[4]，如圖4所示。

3.3 ? ?隔離滴盤

非冷箱閥門，一般需要在閥門殼體外部另外包覆保溫材料，保溫材料包覆好后，露出保溫材料的閥蓋加長頸及以上部分。由于與外部的空氣進行熱交換，其壁面溫度低于外部空氣露點溫度，空氣中所含的水蒸氣會在壁面析出結(jié)露形成冷凝水，如果無預(yù)防措施，冷凝水會順著露出保溫材料的閥蓋加長頸部分進入到保溫材料內(nèi)部，從而破壞保溫材料內(nèi)部的保冷度，造成保溫層下的腐蝕（CUI）。為避免上述問題的發(fā)生，可在露出保溫材料的閥蓋加長頸部分焊接一隔離滴盤，使得冷凝水順著隔離滴盤外圓滴落，防止冷凝水直接進入保冷層，避免或減少上述問題的發(fā)生，且隔離滴盤還可以起到類似散熱片的作用。

在有足夠空間包覆保溫層材料的情況下，隔離滴盤在閥蓋加長頸位置的設(shè)計應(yīng)盡量靠近閥蓋中法蘭一側(cè)。GB/T 24925—2019、JB/T 12621—2016及殼牌規(guī)范MESC SPE 77/200—2019均對此高度做出了要求。

3.4 ? ?超壓泄放

對于有雙閥座結(jié)構(gòu)的低溫閥門，如低溫閘閥、低溫球閥等，應(yīng)有泄壓孔或自泄壓措施，能夠在中腔壓力升至不大于1.33倍CWP（冷態(tài)工作壓力）時，及時將介質(zhì)泄放回上游高壓側(cè)管路中去（合同另有規(guī)定的除外），且閥門的外部應(yīng)有泄壓方向的標(biāo)識。因為當(dāng)閥門關(guān)閉后，系統(tǒng)停車或檢修時，閥門殼體溫度逐漸升高，殘留在雙閥座間腔體內(nèi)的液體介質(zhì)會從環(huán)境中大量吸熱并迅速氣化，瞬間產(chǎn)生很高的壓力，造成潛在的安全風(fēng)險。

3.5 ? ?耐火性能及防靜電設(shè)計

當(dāng)使用介質(zhì)具有易燃易爆特性或閥門使用環(huán)境有防火要求時，為降低火災(zāi)時對閥門結(jié)構(gòu)及密封的影響，低溫閥門應(yīng)具備阻止火勢蔓延，延緩泄漏的特性。即對于軟密封副的低溫閥門來說，其需要考慮當(dāng)軟密封副材料被燒損時，有延緩內(nèi)漏的結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于可能造成介質(zhì)外漏的密封墊片或填料，應(yīng)優(yōu)先考慮耐燒溫度更高、能力更強的材料，如柔性石墨等。

對于介質(zhì)易燃易爆的軟密封副低溫閥門，除應(yīng)具備耐火能力外，還應(yīng)具備內(nèi)部靜電導(dǎo)通的能力，防止由于摩擦造成內(nèi)部靜電聚集產(chǎn)生火花，與介質(zhì)反應(yīng)造成燃燒或爆炸的情況。

3.6 ? ?其他特殊要求

對于安裝于移動式壓力容器上的低溫閥，如LNG船、液化氣罐車等，除滿足上述要求外，還需要考慮振動對其的影響，閥門應(yīng)具備耐振動性，并符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 ? ?檢驗與試驗

閥門選型、選材是否正確，結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理，是確定其能否成為優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的先決條件，但決定性因素在于閥門能否順利通過產(chǎn)品最終的壓力試驗，最終的壓力試驗也是決定閥門能否作為產(chǎn)品出廠交付給用戶的必備環(huán)節(jié)。

對于普通閥門來說，在常溫狀態(tài)下按標(biāo)準(zhǔn)對閥門進行壓力試驗，其各項性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)即可出廠。但對于低溫閥門來說，在常溫狀態(tài)下的壓力試驗結(jié)果并不能完全代表其在低溫狀態(tài)下的真實數(shù)據(jù)，所以為了保證低溫閥門交付客戶安裝后的使用性能，除了對低溫閥門進行常溫試驗外，還需要對低溫閥門進行低溫型式試驗。

國內(nèi)通常采用外部噴淋、浸泡冷卻等低溫試驗方式，通過冷媒介質(zhì)液氮、冷卻氣體或液氮+酒精的混合液，噴淋放置于低溫試驗槽內(nèi)的閥門外表面，或?qū)㈤y門放置于冷媒介質(zhì)中直至冷媒介質(zhì)完全覆蓋法蘭閥蓋上端面，當(dāng)閥門逐步降低至試驗溫度，待溫度穩(wěn)定后，閥門內(nèi)部通入相應(yīng)試驗壓力的高純度（97%以上）氦氣或90%氮氣+10%氦氣的試驗介質(zhì)，通過計泡器、氦質(zhì)譜檢漏儀來檢測閥門的內(nèi)外漏情況，如圖5所示。

但這種外部冷卻法的低溫試驗裝置，與低溫閥門實際安裝在管路上內(nèi)部輸送低溫介質(zhì)的使用工況可能還有所不同，例如，外部浸泡冷卻法將閥門置于試驗容器中，當(dāng)合上保溫箱蓋時，試驗容器內(nèi)部均具有較低的溫度，箱內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)較低，包括箱內(nèi)閥蓋加長頸的一部分，可看作加長頸的溫度梯度傳導(dǎo)從保溫箱蓋平面處才開始發(fā)生明顯變化，且閥門在箱內(nèi)的放置高度也成為影響因素之一。再者，外部浸泡冷卻法的降溫為極速冷卻，降溫速率無法控制，與閥門實際工況相悖，這種冷卻方式使得閥門殼體外表面首先降至最低試驗溫度，可能破壞原有閥門內(nèi)部零部件的設(shè)計配合模式，無法真實地反映設(shè)計理念。

從上面一些例子可以看出，外部冷卻法并不是最為理想且能真實反映閥門使用情況的低溫試驗方法。目前國內(nèi)的合肥通用機械研究院有限公司已經(jīng)設(shè)計完成了低溫閥門內(nèi)冷循環(huán)試驗裝置，該裝置的試驗方法與低溫閥門在管道上的運行狀態(tài)基本一致，更為科學(xué)，已投入到相關(guān)閥門生產(chǎn)企業(yè)的試驗檢驗當(dāng)中，并取得了良好的檢驗試驗效果。

5 ? ?結(jié)論

設(shè)計、采購低溫閥門時，首先必須選擇適合自身工況的低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)，這是非常關(guān)鍵的，不合適的標(biāo)準(zhǔn)會導(dǎo)致不匹配的結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是在工況溫度處于-49～-30 ℃時，由于國內(nèi)外低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)的初始溫度并不統(tǒng)一（表1），在這一溫度段執(zhí)行外標(biāo)的進口閥門與執(zhí)行國標(biāo)的國產(chǎn)閥門設(shè)計結(jié)構(gòu)上存在較大差異，如低溫閘閥與浮動球閥泄壓孔的設(shè)計，按照國標(biāo)GB/T 24925—2019的要求≤-29 ℃就需要設(shè)置，一旦設(shè)置了泄壓孔，低溫閘閥與浮動球閥即從雙向密封變?yōu)閱蜗蛎芊?，閥體也會標(biāo)記有流向箭頭，如果管線原設(shè)計閥門需要雙向密封，那么就需要額外增加閥門數(shù)量來滿足要求;而外標(biāo)泄壓孔的設(shè)置一般要求為≤或<-50 ℃，如表2所示。

再者，閥門設(shè)計單位大多注重閥門結(jié)構(gòu)性設(shè)計，忽視了低溫材料的基礎(chǔ)性研究，不同成型方式、元素含量、熱處理方式、加工工藝都會對材料在低溫下產(chǎn)生不同的影響，最終影響到低溫閥門的整體性能。

最后，應(yīng)通過科學(xué)合理的檢驗、試驗手段，最終獲得理想的設(shè)計結(jié)果。

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收稿日期：2021-10-12

作者簡介：陳星（1986—），男，湖北宜昌人，工程師，從事閥門新產(chǎn)品研發(fā)和科研管理工作。