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低溫閥門生產工藝及相關深冷處理   發布時間:18-03-15



近幾十年,隨著現代科學技術的發展,工程項目中對低溫閥門的需求越來越多。低溫閥門在化肥、LNG 及石油化工等領域使用較多。

低溫閥門所控制的介質除了液氮和其他液態惰性氣體外,大部分介質不但易燃、易爆,而且在升溫或者閃蒸時會發生氣化,致使體積急劇膨脹,容易導致泄漏和爆炸。

基于介質特點及適應閥門在低溫下使用的要求,低溫閥門的設計、制造、試驗和安裝方法等均與普通閥門有不同之處。

低溫閥門的標準和定義

不同標準對低溫閥門有不同定義。

英國閥門標準 BS6364《低溫用閥門》適用于介質溫度范圍為 -50℃~-196℃ ; 
美 國 標 準 MSSSP-134 《對低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》對低溫的解釋為“對于標準慣例來說,低溫范圍介于 -100℃~ -195℃”;
中國國家標準GB/T 24925《低溫閥門技術條件》標準適用于介質溫度范圍為 -29 ℃~ -196℃;
殼牌閥門標準 SHELL MESC SPE 77/200《低溫及超低溫用閥門》適用于介質溫度范圍為 -30 ℃~ -196℃。



國外根據各種不同氣體在常壓下的液化溫度一般分為六種溫度級。

一級為 0~ -46℃,
二級為 -47~ -60℃,
三級為 -61~ -70℃,
四級為-71~-101℃ , 
五級為-102~-196℃ , 
六級為-253℃以下。

一般將 -46~-150℃稱為低溫 ,-150℃ 以下稱為超低溫。

石化行業對低溫閥門的定義是按照輸送介質的設計溫度來定義的,一般將應用在介質溫度 -40 ℃以下的閥門稱作低溫閥,應用在介質溫度 -101 ℃以下的閥門稱作超低溫閥門。

低溫閥門設計特點

1、低溫閥門的材料選擇

低溫閥門的工作介質不僅溫度低,而且大部分或有毒,或易燃、易爆,而且滲透性強,因此決定了對閥門用材的諸多特殊要求。在低溫狀態下鋼的機械性能與常溫時不同,低溫用鋼,除強度外,最重要的指標就是其低溫沖擊韌性。材料的低溫沖擊韌性與材料的脆性轉變溫度有關,材料的脆性轉變溫度愈低,材料的低溫沖擊韌性愈好。碳鋼等體心立方晶格的金屬材料存在低溫冷脆現象,而奧氏體不銹鋼等面心立方晶格的金屬材料其沖擊韌性基本不受低溫影響。
低溫閥門閥體、閥蓋等耐壓零件的材料,通常采用低溫強度好的韌性材料,同時還要考慮焊接性、機加工性能、穩定性和經濟性等因素。

設計時,最常用的是 -46℃、-101℃和-196℃三個低溫級別。-46℃低溫級一般選用低溫碳鋼,-101℃和 -196℃低溫級一般選用 300系列奧氏體不銹鋼,這種不銹鋼有適中的強度、較好的韌性和較好的加工性能等。
2、低溫閥門的結構設計

1)閥蓋結構設計

低溫閥門的一個最顯注的特點就是其閥蓋一般為長頸結構,在 GB/T 24925《低溫閥門技術條件》中也有明確規定 “低溫閘閥截止閥球閥蝶閥的閥蓋應根據不同的使用溫度要求設計成便于保冷的長頸閥蓋結構,以保證填料函底部的溫度保持在 0℃以上”。 加長閥蓋結構的設計主要是為了使閥門操作手柄和填料函結構遠離低溫區,既可以避免溫度太低造成操作人員凍傷,也可以保證填料函和壓套在正常的溫度下使用,防止填料的密封性能降低,延長填料的使用壽命。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,防止冷能損失。由于低溫管道一般有著較厚的保冷層厚度,長頸閥蓋便于保冷施工,并使填料壓蓋處于保冷層外,有利于需要時隨時緊固壓蓋螺栓或添加填料而無需損壞保冷層。

BS6364、MSS SP-134 和 SHELL MESC SPE77/200 標準均對閥蓋加長尺寸進行了規定。其中,BS6364 規定了15~ 500帶冷箱的加長尺寸, 并規定非冷箱最小加長長度應為250mm;MSS SP-134 則包含了15~300的帶冷箱和非冷箱的加長尺寸要求,比較而言,非冷箱加長尺寸比 BS6364 規定長,帶冷箱加長尺寸比 BS6364 規定短。SHELL MESC SPE 77/200則沒有對帶冷箱和非冷箱進行區分,規定了15~1200在不同溫度范圍的長度 。 

綜合考慮,SHELL MESC SPE 77/200 其加長長度選用范圍較寬使用比較方便可靠,如用于低溫關鍵場合可參考 SHELL MESC SPE 77/200 標準進行設計或按設計單位特殊長度要求進行設計。此外,在進行長度選用時還需考慮設計保冷層厚度是否大于該長度,如是則應加長以和保冷厚度匹配。

2)滴水板結構設計

由于閥門內傳遞是低溫介質,為了避免或減少介質溫度向閥桿及其上端的填充材料傳遞,防止這些材料因凍結而失效,可在閥門中增加滴水板結構。一些研究機構對這種帶有滴水板結構的閥門進行了實驗驗證,并證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端溫度較高。由于延長閥蓋上部的溫度較低,通常情況下閥門暴露在空氣中,空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會液化成水珠,滴水板的直徑超過中法蘭直徑,可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上,避免螺栓銹燭影響在線維修。此外,滴水板需設置在保冷層外側,可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部,保護保冷層及防止冷量流失。

3)泄壓部件的結構設計

對于有密閉中腔結構的低溫閥門,當應用在易燃、易爆且容易氣化的介質時,對于閥門密封結構有著特殊的要求。一些低溫介質在汽化后其體積會升高,例如,液化天然氣汽化后的體積為液態時的六百多倍,當閥門為閉合狀態且周圍環境溫度相對較高時,閥體內的低溫介質吸收環境中熱量而逐漸汽化,其體積迅速上升,導致閥門內部超壓,甚至威脅到閥門的安全,導致介質泄露甚至造成火災事故,為保證閥門和工廠的安全性,此類閥門要求帶中腔自泄壓結構,使閥門內腔壓力異常超壓時,實現自動泄放。如低溫閘閥、球閥,由于閥門密封原理不同,在泄壓設計上,會有明顯的區別。不過不同的廠家在泄壓結構的設計上,多有自己不同的特點。

4)防靜電及防火結構設計

由于低溫閥門一般應用在易燃、易爆的介質上,防靜電設計及防火設計顯得尤為重要。防靜電設計主要是以一種類似避雷針的引導電流方式,將閥桿與閥體導通,從而將靜電導出以消除安全隱患,保證整個系統的供應安全。如GB/T 24925 明確規定 “ 用于易燃蒸氣或液體的具有軟閥座或軟的關閉插入部件的閥門,在設計時應保證閥體和閥桿具有導電連貫性,放電路徑最大電阻不應超過 10Ω。”。防火結構的設計主要是針對因溫度劇烈變化而導致的介質泄露問題而進行的,防火結構的設計與普通閥門的設計要求類似。

5)閥體 

閥體應能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永久變形。      

6)閥瓣    

閘閥采用撓性閘板或開式閘板;截止閥的平閥座及針形閥,采用塞子形的閥瓣。這些結構形式不論溫度如何變化,均能保持可靠的密封。

7)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(壓蓋)相互咬死,損壞密封填料,造成填料函泄漏。      

8)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、緊固壓力分布以及應力松弛特性等。    

9)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0℃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油封層,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。但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型式。    

10)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。    

11)閥座、閥瓣(閘板)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烯膨脹系數大,低溫變脆,所以僅適用于溫度高于-70℃的低溫閥,但聚三氟乙烯可用于-162℃的低溫閥。    

12)中法蘭螺栓    

螺栓應有足夠的強度,這是因為螺栓在反復載荷下工作,常會因疲勞而產生斷裂。因螺栓在螺紋根部易引起應力集中,所以最好采用全螺紋結構的螺栓。

低溫閥門的安裝要求

因為低溫閥門的特殊結構,低溫閥門的安裝亦有其特殊要求。因為低溫閥門的長頸閥蓋結構特點,低溫閥門在安裝時閥桿閥桿方向必須在垂直向上的 45 度角范圍內,且應盡量避免安裝在垂直管線上。否則低溫介質將充滿閥蓋的加長部分,造成閥門填料失效,并會將冷量傳給閥門手柄,給操作人員帶來人身傷害。對于有泄壓結構的低溫閥門,在安裝閥門時,要特別注意閥門泄壓方向的要求。閥門泄壓的方向應在工藝流程圖上標出,并體現在管道軸測圖中。



低溫閥門產生泄漏的原因


內漏:
閥門產生內漏主要原因是密封副在低溫狀態下產生變形所致。當介質溫度下降到使材料產生相變時造成體積變化,使原本研磨精度很高的密封面產生翹曲變形而造成低溫密封不良。

外漏:
閥門的外漏:其一是閥門與管路采用法蘭連接方式時,由于連接墊料、連接螺栓、以及連接件在低溫下材料之間收縮不同步產生松弛而導至泄漏。因此可把閥體與管路的連接方式由法蘭連接改為焊接結構,避免了低溫泄漏。其二是閥桿與填料處的泄漏。

低溫閥門制造

對所生產的低溫閥門制定了嚴格的制造工藝和采用專用設備,對零件的加工進行嚴格的質量控制。經特殊的低溫處理,將粗加工的零件置于冷卻介質中數小時(2-6小時),以釋放應力,確保材料的低溫性能,保證精加工尺寸,以防閥門在低溫工況時,因溫度變化造成變形而導致的泄漏。閥門的裝配與普通閥門也不同,零件需經過嚴格的清洗,除去任何油污,以保證使用性能。

低溫閥門試驗和檢驗:

對低溫閥的主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗,以保證閥門在低溫工況時不脆裂,經得起低溫介質沖擊。

對每臺閥門進行以下試驗:

常溫殼體強度試驗;
常溫低壓上密封試驗;
常溫低壓密封試驗;
低溫上密封氣密試驗(有上密封時);
低溫氣密封試驗等,以確保整臺低溫閥門符合標準的規定;
對主要零部件作低溫處理并每批抽樣作低溫沖擊試驗,以保證閥門在低溫工況時不脆裂,經得起低溫介質沖擊;
低溫(深冷 )閥門均按相應材料規范進行低溫處理和沖擊試驗;
搞靜電功能更加強大,閥體與閥桿或內件與閥體間導通電阻小于1歐姆。

低溫閥門試驗設備:

低溫閥試驗裝置
液氮儲存裝置
低溫處理槽



試驗方法:

1、試驗前的準備

清除閥門零件的油漬,將它們擦干凈并在干凈,沒有灰塵和油漬的環境下將閥門裝配好;
將螺栓擰緊到預定的力矩值和拉力值,并記錄下該值;
用合適的熱電偶與閥門連接,從而能在整個試驗過程中監控閥門的溫度。

2、試驗

將閥門安裝在試驗容器內并連接好,要確保閥門填料處在容器頂部沒有汽化氣體的位置
在室溫下用規定介質氣體以最大閥座試驗壓力進行初始的系統驗證試驗,以確保閥門是在合適的狀態下,然后開始進行試驗
將閥門浸入液氮中進行冷卻,液體的水平面至少淹住閥體與閥蓋的連接部位,在整個冷卻過程中一直向閥門提供氦氣。在冷卻過程中,用安裝在適當位置上的熱電偶對閥門的溫度進行監控。
閥門在試驗溫度下達到穩定。用熱電偶測定溫度以確信閥門的溫度達到均勻。
在試驗溫度下用氦氣以最大閥座試驗壓力進行初始的驗證試驗
在閥門的進口側進行閥座壓力試驗,能夠雙向密封的閥門,對兩個閥座分別進行試驗。
使閥門處在開啟位置,關閉閥門出口側的針形閥,將閥腔中的壓力升至閥座試驗壓力。將該壓力保持規定的要求,檢查閥門填料處及閥體與蓋連接處是否泄漏,應無泄漏。
使閥門恢復室溫,再進行常溫密封試驗。
試驗完成后,將閥門清潔、吹干,檢查合格后出廠。

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