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(huì)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(yùn)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)

近年來,我國低溫領(lǐng)域閥門的產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在著不同的技術(shù)要求,產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)正文中會(huì)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(jì)人員在采購、設(shè)計(jì)相關(guān)低溫閥門時(shí),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(jì)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(huì)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(gè)重要考核指標(biāo)就是材料的低溫沖擊值。而低溫沖擊試驗(yàn)是檢驗(yàn)材料在低溫下韌性好壞的主要依據(jù),低溫沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)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(jì)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(jìn)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(jì)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(shí)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(yàn)公式預(yù)測:

如果材料的Ms點(diǎn)遠(yuǎn)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(diǎn)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(jìn)行后再進(jìn)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(yàn)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(diǎn),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(diǎn)遠(yuǎn)低于常溫,則奧氏體不銹鋼在冷加工時(shí)就不會(huì)產(chǎn)生馬氏體,此值越小,磁性也越低。

相變點(diǎn)Ms、MD30是預(yù)測奧氏體不銹鋼材料在低溫下及冷加工時(shí)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(jì)算焊接時(shí)焊縫和鑄造奧氏體不銹鋼內(nèi)的組織成分以及通過計(jì)算奧氏體穩(wěn)定性系數(shù)（4）來對奧氏體不銹鋼組織、性能進(jìn)行綜合判定。

鉻和鎳當(dāng)量的計(jì)算公式如下:

如果4計(jì)算結(jié)果為負(fù)數(shù),則表示當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重應(yīng)變時(shí),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10n5%時(shí),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(huì)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(jì)

3.l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(gè)或多個(gè)充填有絕熱材料的"箱體"中,以實(shí)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(hù),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(jìn)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(dòng)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(shè)計(jì)低溫閥門時(shí),需要對閥蓋頸部進(jìn)行加長設(shè)計(jì),目的是保證填料處不會(huì)因?yàn)榈蜏亟橘|(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(dòng)作時(shí)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/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(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)使用時(shí)不能盲目直接采用,因?yàn)槠浣o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(jì)人員最好根據(jù)閥門的結(jié)構(gòu)、工況條件、安裝時(shí)的角度和位置及保溫層包覆等情況通過有限元軟件進(jìn)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(jìn)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(jì)是有效的,閥門安裝時(shí)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45o的方向操作閥桿;冷箱用閥門,應(yīng)能在地面上在與地面成15o～90o的方向內(nèi)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(jìn)行熱交換,其壁面溫度低于外部空氣露點(diǎn)溫度,空氣中所含的水蒸氣會(huì)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(huì)順著露出保溫材料的閥蓋加長頸部分進(jìn)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(jìn)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(jì)應(yīng)盡量靠近閥蓋中法蘭一側(cè)。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(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(shí),及時(shí)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(shí)。因?yàn)楫?dāng)閥門關(guān)閉后,系統(tǒng)停車或檢修時(shí),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(huì)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(xiǎn)。

3.5耐火性能及防靜電設(shè)計(jì)

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(shí),為降低火災(zāi)時(shí)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(shí),有延緩內(nèi)漏的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(qiáng)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(dòng)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(dòng)對其的影響,閥門應(yīng)具備耐振動(dòng)性,并符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4檢驗(yàn)與試驗(yàn)

閥門選型、選材是否正確,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yàn),最終的壓力試驗(yàn)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(jìn)行壓力試驗(yàn),其各項(xiàng)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(yàn)結(jié)果并不能完全代表其在低溫狀態(tài)下的真實(shí)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(jìn)行常溫試驗(yàn)外,還需要對低溫閥門進(jìn)行低溫型式試驗(yàn)。

國內(nèi)通常采用外部噴淋、浸泡冷卻等低溫試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)溫度,待溫度穩(wěn)定后,閥門內(nèi)部通入相應(yīng)試驗(yàn)壓力的高純度(97%以上）氦氣或90%氮?dú)?10%氦氣的試驗(yàn)介質(zhì),通過計(jì)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。

圖5典型外部冷卻法閥門低溫試驗(yàn)裝置

但這種外部冷卻法的低溫試驗(yàn)裝置,與低溫閥門實(shí)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(yàn)容器中,當(dāng)合上保溫箱蓋時(shí),試驗(yàn)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(shí)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(yàn)溫度,可能破壞原有閥門內(nèi)部零部件的設(shè)計(jì)配合模式,無法真實(shí)地反映設(shè)計(jì)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(shí)反映閥門使用情況的低溫試驗(yàn)方法。目前國內(nèi)的合肥通用機(jī)械研究院有限公司已經(jīng)設(shè)計(jì)完成了低溫閥門內(nèi)冷循環(huán)試驗(yàn)裝置,該裝置的試驗(yàn)方法與低溫閥門在管道上的運(yùn)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(yàn)檢驗(yàn)當(dāng)中,并取得了良好的檢驗(yàn)試驗(yàn)效果。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)、采購低溫閥門時(shí),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(huì)導(dǎo)致不匹配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),特別是在工況溫度處于-49～-30℃時(shí),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(jìn)口閥門與執(zhí)行國標(biāo)的國產(chǎn)閥門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上存在較大差異,如低溫閘閥與浮動(dòng)球閥泄壓孔的設(shè)計(jì),按照國標(biāo)GB/T24925一2019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(dòng)球閥即從雙向密封變?yōu)閱蜗蛎芊?閥體也會(huì)標(biāo)記有流向箭頭,如果管線原設(shè)計(jì)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。

表2國內(nèi)外常用低溫閥門設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中對典型結(jié)構(gòu)

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(guān)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)[5],表中MEsCsPE77/200一2019泄壓孔溫度源自于基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)MEsCsPE77/100一2012.

再者,閥門設(shè)計(jì)單位大多注重閥門結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì),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(huì)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(yàn)、試驗(yàn)手段,最終獲得理想的設(shè)計(jì)結(jié)果。

20220316_6231e622655e7__淺談低溫閥門設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)