低温深冷截止阀结构设计分析

一、低温深冷截止阀结构设计分析 设计要求

低温阀门工作条件苛刻，其工作介质大部分为易燃、易爆、渗透性强的物质，工作温度可达-269℃，最高使用压力达10MPa。因此，低温阀门的设计、制造、检验与通用阀门相比有很大的区别。一般，根据低温阀门的使用工况，对设计工作提出以下几点要求：

1．阀门在低温介质及周围环境温度下应具有长时间工作的能力。

2．阀门不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。

3．低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。

4．直接与低温介质接触的阀门组合件应具有防爆和防火结构。

5．在低温下工作的阀门组合件无法润滑，所以需要采取结构措施，以防止摩擦件擦伤。

二、低温深冷截止阀结构设计分析性能指标

1．低温阀门的 绝热性能

可以利用阀门进入低温介质的热流流量Q1与所通过的低温介质的质量比来衡量低温阀门的绝热能力。但在介质种类不变，仅流速发生变化时，其值就会变化，因此用这种方法作为评价低温阀门绝热能力的指标显然是不合适的。可以采用指标KT作统一比较。  

2．低温阀门的 冷却性能  

低温阀门的冷却性能是指低温阀门从常温冷却到工作温度的能力。这一性能可以利用阀门在上述过程中所消耗的能量，即在上述过程中阀门传给低温介质的热量Q2来衡量。对于周期性工作的低温阀门来说冷却性能指标有着极其重要的意义。

3．低温阀门启闭密封件的 工作性能  

在低温条件下，密封件的性能往往遭到破坏，为了实现可靠密封，必须采用合理的密封结构或者加大密封比压。因此，需要对密封效果进行评价，一般可以采用与泄漏量有关的参数来衡量低温阀门的密封能力，

4．低温阀门表面不结冰的条件  

低温阀门工作时，其表面不应结露，更不应结冰。阀门外表面是否结冰首先取决于周围空气温度和零部件表面温度之间的差值ΔT1，其次取决于空气的露点温度。事实上，在全天候条件下，消除结露是很困难的。但是如果ΔT1满足一定条件，结冰的可能性就会大大降低，则阀门表面不结冰的条件为ΔT1≤5℃。

三、低温深冷截止阀结构设计分析的 材料选用

1．主体材料选用应考虑的因素

从金相考虑，金属材料中除了具有面心立方晶格的奥氏体钢、铜、铝等以外，一般的钢材在低温状态下会出现低温脆性，从而降低阀门的强度和使用寿命。选择主体材料时首先要选用适合于低温下工作的材料。铝在低温下不会出现低温脆性，但因铝及铝合金的硬度不高，铝密封面的耐磨、耐擦伤性能差，所以在低温阀门中的使用有一定的限制，仅在低压和小口径阀门中选用。

在低温工作的材料要保证其低温性能，主要是保证其冷冲击强度。阀内件必须通过正确选材，使其具有足够的冷冲击强度，才能防止断裂。C和Cr的合金钢在低于－20℃时候很快失去抗冲击强度，所以使用温度分别限制在-30℃和-50℃。含Ni量为3.5%的镍钢可以使用到-100℃，含Ni量9%的镍钢可以使用到-192℃。奥氏体不锈钢、镍、蒙乃尔合金、哈氏合金、钛、铝合金及青铜可以使用到更低的温度（-273℃）。

除此以外，低温阀门的材料选用还应考虑以下一些因素：

（1）阀门的工作温度；  

（2）保证零件在低温下不失去工作能力所必需的机械性能，特别是低温冲击韧性、相对延伸率和组织稳定性等； 

（3）保证零件符合低温介质防爆性的相容条件， 

（4）保证零件所必须的热物理性能，其中包括导热性能、冷收缩性能等；

（5）保证零件在低温及无油润滑的条件下具有必需的耐磨性；  

（6）保证零件具有必需的耐腐蚀性； 

（7）采用焊接时还要考虑材料的焊接性能。

2．阀体、阀盖、阀座、阀瓣（闸板）材料的选用

这些主体零部件材料的选用原则大致是：温度高于-100℃时选用铁素体钢；温度低于-100℃时选用奥氏体钢；低压及小口径阀门可选用铜和铝等材料。设计时根据使用温度选择适当的材料。

3．阀杆及紧固件的材料选用

温度高于-100℃时，阀杆和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金钢，经适当的热处理，以提高抗拉强度和防止螺纹咬伤等。温度低于-100℃时，采用奥氏体不锈耐酸钢制造。但18-8耐酸钢硬度低，会造成阀杆与填料相互擦伤，致使填料处泄漏。所以，阀杆表面必须镀硬铬（ 镀层厚0.04-0.06mm），或进行氮化和镀镍磷处理，以提高表面硬度。为防止螺母与螺栓咬死，螺母一般采用Mo钢或Ni钢，同时在螺纹表面涂二硫化钼。

4．低温阀垫片、填料材料的选用

随着温度降低，氟塑料收缩量很大，会使密封性能下降，容易引起泄漏。石棉填料无法避免渗透性泄漏。橡胶对液化天然气有泡胀性，在低温下不可采用。

在低温阀门设计中，一方面由结构设计来保证使填料处于接近环境温度下工作，例如，采用长颈阀盖结构，使填料函离低温介质尽量远些，另一方面在选择填料时要考虑填料的低温特性。低温阀中一般采用浸渍聚四氟乙烯的石棉填料。

柔性石墨是新近发展起来的一种优良的密封材料。这种材料对气体、液体均不渗透，在厚度方向有10%-15 %的弹性，较低的紧固压力就可达到密封。它还有自润滑性，用作阀门填料可以防止填料与阀杆的磨损。柔性石墨填料使用温度范围为—200~870℃。

此类型专用截止阀门主要用于液氧（液氮、液氩）等低温 液态介质系统上，具有开关灵活、密封可靠、耐压等特点。 

二.低温深冷截止阀结构设计分析规范：

公称通径：dn 10~40mm 
公称压力：pn 4.0mpa
适用介质：lo2、ln2、lar、lng等
适用温度：-196℃-+80℃ 

三.低温深冷截止阀结构设计分析材质：

阀体：不锈钢 
阀瓣、阀盖：铜 
阀杆：不锈钢 
填料、密封垫圈：聚四氟乙烯 

四.低温深冷截止阀结构设计分析外形与安装连接尺寸：

四、低温深冷截止阀结构设计分析结构设计分析

1．低温阀门阀体的设计

阀体是阀门的主要受压部件，必须有一定的强度才能保证阀门的正常工作。在低温工况下，阀体所承受的低温应力、膨胀和收缩附加应力都很大，要保持阀门密封副不发生变形，阀体必须有一定的刚度。同时，要防止低温应力集中产生的破坏，应尽量避免在阀体中出现尖角、凹槽等。

2．低温阀门长颈阀盖的设计

低温阀门需要采用长颈阀盖结构，其日的是减少外界传入装置中的热量；保证填料箱部位的温度在0℃以上，使填料可以正常工作；防止因填料函部分过冷而使处在填料函部位的阀杆以及阀盖上部的零件结霜或冻结。  

长颈阀盖的设计主要是颈部长度L的设计，L指的是填料函底部到上密封座上表面的距离，它和材料的导热系数、导热面积及表面散热系数、散热面积等因素有关，计算比较繁琐，一般由实验法求得。

3．低温阀门泄压部件的分析

异常升压的问题一般只存在于低温闸阀中。当闸阀闸板关闭后，残留在阀体中腔的低温介质从周围环境中大量吸收热量，迅速汽化，在阀体内产生很高的压强。异常升压的危害很大，它可能将闸板紧紧地压在阀座上，导致闸板卡死，使阀门不能正常工作，也可能冲坏填料和法兰垫片，甚至引起阀体爆炸。因此必须采取措施加以避免。  

常用的措施是设计泄压孔和设置旁路系统。对小口径阀门（DN≤300mm）可以直接在闸板靠近高压侧（即进口端）设计一个泄压孔，对于大口径阀门则需增加旁路系统。对于增加了泄压孔或旁路系统的低温阀门必须标明介质流向。

4．低温阀门上密封装置的设计

在阀门全开时，阻止工作介质向填料函处泄漏的一种装置称为上密封装置。  

上密封装置有两个作用。第一，上密封装置可以减小工作介质对填料的损坏。工业阀门在绝大多数工作时间处于开启状态，如无上密封装置，则介质压力直接作用于填料。填料长期处于受压状态，易老化。第二，当填料处有泄漏时，全开阀门，使上密封装置处于工作状态，就可以带压进行填料更换。因此，对于闸阀和截止阀都规定要有上密封装置。  

上密封面可用在阀盖上堆焊钻铬钨硬质合金，然后精加工、研磨而成的工艺制得（对于奥氏体不锈钢材料的阀盖，可直接在阀盖上加工上密封面），也可在专门的上密封座上研磨而成。

5．低温深冷截止阀结构设计分析结构设计时需注意的问题和要求

（1）低温阀门关闭后，残留在阀体中的低温介质因温度升高而迅速气化，造成阀体内部异常升压的问题；

（2）低温对填料函密封性能的不利影响；

（3）零部件冷变形对阀门的有害影响；

（4）低温介质对零部件的防爆要求等。

（5）阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩，且阀座部分的结构不会因温度变化而产生变形；

（6）采用能保护填料函的长颈阀盖结构；

（7）采用无论温度如何变化均能保持可靠密封的阀瓣，例如闸阀采用弹性闸板和开式闸板、截止阀采用锥形阀瓣等；

（8）采用上密封结构；

（9）采用钻铬钨硬质合金堆焊结构的阀座、阀瓣密封面；

（10）采用泄压孔防止异常升压，泄压孔开设位置视阀门结构而定，可以设在阀体上，也可以设在闸板上。

五、低温深冷截止阀结构设计分析的故障原因分析

低温阀门产生泄漏的原因主要有两种情况，一是内漏；二是外漏。 

1．低温阀门的内漏原因分析

低温阀门产生内漏的主要原因是密封副在低温状态下产生变形所致。当介质温度下降到使材料产生相变时造成体积变化，使原本研磨精度很高的密封面产生翘曲变形而造成低温密封不良。我们曾对DN250阀门进行低温试验，介质为液氮（-196℃）蝶板材料为1Cr18Ni9Ti（没经过低温处理）发现密封面翘曲变形量达0.12mm左右，这是造成内漏的主要原因。

2．低温阀门的外漏原因分析

第一是由于阀门与管路采用法兰连接方式时，由于连接垫料、连接螺栓、以及连接件在低温下材料之间收缩不同步产生松弛而导至泄漏。因此我们把阀体与管路的连接方式由法兰连接改为焊接结构，避免了低温泄漏。第二是由于是阀杆与填料处的泄漏。一般多数阀门的填料采用F4，因为它的自滑性能好、摩擦系数小（对钢的摩擦系数f=0.05～0.1），又具有的化学稳定性，因此得到广泛应用。但F4也有不足之处，一是冷流倾向大；二是线膨胀系数大，在低温下产生冷缩导致渗漏，造成阀杆处大量结冰，至使阀门开启失灵。为此研制的低温蝶阀采用自缩密封结构即利用F4膨胀系数大的特点，通过予留的间隙达到常温、低温都可以密封的目的。