引言

隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展,低溫領域產品的應用逐漸增多,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備和低溫閥門,低溫閥門是設備中關鍵的控制單元,其安全穩(wěn)定運行是保證系統(tǒng)正常生產的基礎條件。低溫介質因其特殊性,對低溫閥門的產品質量提出了更嚴格的要求。

1產品設計標準

近年來,我國低溫領域閥門的產品設計標準規(guī)范越來越齊全。從表1可以看出,在國際上大多數的低溫閥門標準中,通常把工況溫度低于-50℃的列為低溫閥的范疇,而國內標準則是工況溫度低于-29℃就已經被納入低溫閥的范疇了。不同的產品設計標準存在著不同的技術要求,產品設計標準正文中會給出此標準所適用的公稱壓力、公稱尺寸、溫度范圍、介質、類型等信息,用戶或設計人員在采購、設計相關低溫閥門時,應首先根據自己所需閥門的行業(yè)及工況選擇合適的產品設計標準。

2材料的選擇及處理

大多數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成分配比、合適的熱處理工藝、較高的力學性能,還有一個重要考核指標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,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、經濟的承壓件材料就是奧氏體不銹鋼,國內常用的材料有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,易促進材料內部分奧氏體組織轉變?yōu)轳R氏體組織,即發(fā)生馬氏體轉變。馬氏體組織的轉變將直接影響奧氏體不銹鋼在低溫下的穩(wěn)定性,即產生的馬氏體單位體積比奧氏體大約1.7%[1],因此轉變將引起體積增大,使材料出現塑性變形,從而破壞原有設計結構,導致閥門內漏或外漏。材料冷卻到某一溫度時開始發(fā)生馬氏體轉變,稱該溫度為馬氏體臨界轉變溫度Ms(單位為oF）,其可通過以下經驗公式預測:

如果材料的Ms點遠低于閥門的最低使用溫度,則認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變,使轉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。

冷加工也是導致奧氏體組織轉變?yōu)轳R氏體組織及奧氏體產生磁性的主要因素之一,通過經驗公式預測材料的MD30（材料在30%冷變形作用下產生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生馬氏體,此值越小,磁性也越低。

相變點Ms、MD30是預測奧氏體不銹鋼材料在低溫下及冷加工時產生馬氏體組織的方法。還可以查看舍夫勒組織圖(圖1）,利用鉻和鎳當量計算焊接時焊縫和鑄造奧氏體不銹鋼內的組織成分以及通過計算奧氏體穩(wěn)定性系數（4）來對奧氏體不銹鋼組織、性能進行綜合判定。

鉻和鎳當量的計算公式如下:

如果4計算結果為負數,則表示當發(fā)生嚴重應變時,奧氏體向馬氏體轉變的趨勢很大。300系列不銹鋼中的鎳含量超過10n5%時,4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成分符合316L要求,力學性能滿足316不銹鋼要求。316L與316的化學成分區(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結構設計

3.l冷箱與非冷箱閥門

冷箱通常是指為了保證低溫設備的保冷效果,將低溫設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。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"。

1一閥芯;2一閥體;3一閥蓋;4一隔套;5一抱箍;6一支架;7一閥桿;

8一手輪;9一填料;10一浮動套;11一冷箱面板.

圖3冷箱用低溫角式截止閥

3.2閥蓋加長頸

設計低溫閥門時,需要對閥蓋頸部進行加長設計,目的是保證填料處不會因為低溫介質的溫度傳導而導致填料部位出現結冰的現象。填料處一旦結冰,閥門動作時極有可能破壞密封,造成閥門填料函處介質的外漏。值得注意的是,標準GB/T24925一2019、JB/T12621一2016、Bs6364:1984、MsssP-134一2012及殼牌規(guī)范MEsCsPE77/200一2019等均對閥蓋加長頸的最低高度給出了規(guī)定,設計人員在設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需求,設計人員最好根據閥門的結構、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,以保證焊縫質量。

為了確保閥蓋加長頸結構設計是有效的,閥門安裝時應符合標準安裝角度的要求:傳輸液態(tài)介質的閥門、非冷箱用閥門,應能在地面上以與地面成不小于45o的方向操作閥桿;冷箱用閥門,應能在地面上在與地面成15o～90o的方向內操作閥桿[4],如圖4所示。

圖4安裝角度的要求

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露形成冷凝水,如果無預防措施,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部,從而破壞保溫材料內部的保冷度,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計應盡量靠近閥蓋中法蘭一側。GB/T24925一2019、JB/T12621一2016及殼牌規(guī)范MEsCsPE77/200一2019均對此高度做出了要求。

3.4超壓泄放

對于有雙閥座結構的低溫閥門,如低溫閘閥、低溫球閥等,應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,及時將介質泄放回上游高壓側管路中去(合同另有規(guī)定的除外）,且閥門的外部應有泄壓方向的標識。因為當閥門關閉后,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的液體介質會從環(huán)境中大量吸熱并迅速氣化,瞬間產生很高的壓力,造成潛在的安全風險。

3.5耐火性能及防靜電設計

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

對于介質易燃易爆的軟密封副低溫閥門,除應具備耐火能力外,還應具備內部靜電導通的能力,防止由于摩擦造成內部靜電聚集產生火花,與介質反應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,閥門應具備耐振動性,并符合相應標準的要求。

4檢驗與試驗

閥門選型、選材是否正確,結構設計是否合理,是確定其能否成為優(yōu)質產品的先決條件,但決定性因素在于閥門能否順利通過產品最終的壓力試驗,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)下按標準對閥門進行壓力試驗,其各項性能指標符合標準即可出廠。但對于低溫閥門來說,在常溫狀態(tài)下的壓力試驗結果并不能完全代表其在低溫狀態(tài)下的真實數據,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的閥門外表面,或將閥門放置于冷媒介質中直至冷媒介質完全覆蓋法蘭閥蓋上端面,當閥門逐步降低至試驗溫度,待溫度穩(wěn)定后,閥門內部通入相應試驗壓力的高純度(97%以上）氦氣或90%氮氣+10%氦氣的試驗介質,通過計泡器、氦質譜檢漏儀來檢測閥門的內外漏情況,如圖5所示。

圖5典型外部冷卻法閥門低溫試驗裝置

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部輸送低溫介質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,當合上保溫箱蓋時,試驗容器內部均具有較低的溫度,箱內的導熱系數較低,包括箱內閥蓋加長頸的一部分,可看作加長頸的溫度梯度傳導從保溫箱蓋平面處才開始發(fā)生明顯變化,且閥門在箱內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部零部件的設計配合模式,無法真實地反映設計理念。

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。目前國內的合肥通用機械研究院有限公司已經設計完成了低溫閥門內冷循環(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,已投入到相關閥門生產企業(yè)的試驗檢驗當中,并取得了良好的檢驗試驗效果。

5結論

設計、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準,這是非常關鍵的,不合適的標準會導致不匹配的結構設計,特別是在工況溫度處于-49～-30℃時,由于國內外低溫閥門標準的初始溫度并不統(tǒng)一(表1）,在這一溫度段執(zhí)行外標的進口閥門與執(zhí)行國標的國產閥門設計結構上存在較大差異,如低溫閘閥與浮動球閥泄壓孔的設計,按照國標GB/T24925一2019的要求≤-29℃就需要設置,一旦設置了泄壓孔,低溫閘閥與浮動球閥即從雙向密封變?yōu)閱蜗蛎芊?閥體也會標記有流向箭頭,如果管線原設計閥門需要雙向密封,那么就需要額外增加閥門數量來滿足要求:而外標泄壓孔的設置一般要求為<或<-50℃,如表2所示。

表2國內外常用低溫閥門設計標準中對典型結構

初始溫度及隔離滴盤的要求

注:MEsCsPE77/200一2019中明確體腔泄壓的要求見MEsCsPE相關基礎標準[5],表中MEsCsPE77/200一2019泄壓孔溫度源自于基礎標準MEsCsPE77/100一2012.

再者,閥門設計單位大多注重閥門結構性設計,忽視了低溫材料的基礎性研究,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生不同的影響,最終影響到低溫閥門的整體性能。

最后,應通過科學合理的檢驗、試驗手段,最終獲得理想的設計結果。

20220316_6231e622655e7__淺談低溫閥門設計應注意的事項