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          超低溫調節閥的設計與實驗

          2021-07-07

                設計溫度低于100℃的調節閥為超低溫調節閥,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,除了考慮閥門的常規設計與制造,還應考慮在-100℃下材料的性能。本文主要介紹了調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



                對于調節閥來說,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。根據當前國際形勢與國內能源發展的需求,在空分和天然氣液化行業推進超低溫調節閥國產化極其迫切。超低溫調節閥是一種在零下100℃介質中工作的閥門。隨著國內經濟飛速發展,低溫產品需求及產量日漸增長,液氧、液氮、液氦以及液化天然氣等被廣泛地應用。液氦的溫度-254 ℃,液氮的溫度-196 ℃,液氧的溫度-183 ℃,液化天然氣的溫度-162 ℃,這些產品的分餾、儲存和運輸都需要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在逐漸提高。


                2 工作原理


                超低溫調節閥主要由閥體、支座、上閥蓋、閥座、閥芯、套管等組成,通過閥芯實現對介質流量和壓力的調節。在低溫工況下,閥體與執行機構間必須有足夠的距離,通過延伸的支座可以避免填料函結冰。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求定,可采用波紋管密封及其它結構適當降低延長支座的長度。



                3 密封結構


                3.1 材料


                材料的選擇需要考慮兩個條件:


                (1)材料在低溫條件下能夠保證足夠的韌性,防止在低溫下發成脆裂;


                (2)材料在低溫條件下能夠保證足夠穩定性,防止在低溫下發生變形。


                隨著溫度的降低,大多數鋼材的強度有所增加,而韌性下降。金屬材料在低溫下呈現的脆性稱為冷脆性,材料由延性破壞轉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,鋼材的最低允許工作溫度應高于韌脆轉變臨界溫度。


                具有面心立方晶格結構的奧氏體不銹鋼沒有韌脆轉變臨界溫度,不會發生低溫脆性,如304、304L、316、316L等,在低溫條件下,仍然保證足夠的韌性,但這類鋼材在室溫下處于亞穩定狀態,在低溫下容易發生相變。


                奧氏體不銹鋼在馬氏體轉變溫度時,部分奧氏體變成馬氏體而引起體積變化,導致零件變形,這是引起閥門泄漏的一個重要原因,深冷處理可將馬氏體相變提前進行。所以超低溫調節閥應選用穩定性較高的材料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面密封,如圖2,但在超低溫工況下,由于各零部件材料的熱膨脹系數、密封件在超低溫工況下的壓縮量的不同,閥門容易泄漏,所以密封結構的設計極為重要。



                在平面密封的基礎上增加泛塞封,如圖3,泛塞封起主要密封,密封墊片起次要密封,密封結構的可靠性大大提高。


                4 檢驗


                4.1 檢驗方法


                超低溫閥門應在常溫及超低溫環境下均滿足密封要求,常溫試驗使用氮氣做初始密封檢測,超低溫使用圖4所示設備進行,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,GB/T4213《氣動調節閥》標準泄漏量計算公式中未涉及分子量的影響,使用GB/T4213《氣動調節閥》標準計算泄漏量顯然是不行的,GB/T24925《低溫閥門技術條件》標準泄漏量計算公式未區分IV,V級,顯然使用GB/T24925《低溫閥門技術條件》計算也是不行的。


                GB/T 17213《工業過程控制閥》中泄漏量計算公式中指出了分子量、溫度的影響,所以超低溫條件下試驗閥座密封應借鑒GB/T 17213《工業過程控制閥》標準。IV級泄漏量計算公式如下:



                5 結束語


                本文所介紹結構經實際驗收,在超低溫環境下密封可靠;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《工業過程控制閥》標準要求。


                參考文獻


                [1]陸培文.調節閥實用技術[M].北京:機械工業出版社,2016.


                [2]陳國邦.低溫工程材料[M].浙江:浙江大學出版社,1998.


                [3]GB/T4213-2008 氣動調節閥[S]


                [4]GB/T24925-2019 低溫閥門技術條件[S]


                [5]GB/T17213 工業過程控制閥[S]



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