石化低温阀门的设计、制造、安装

 近几十年，随着现代科(kē)學(xué)技术的发展，工程项目中对低温阀门的需求越来越多(duō)。低温阀门在化肥、LNG 及石油化工等领域使用(yòng)较多(duō)。适用(yòng)于介质温度-40℃～ -250℃的阀门称之為(wèi)低温阀门。低温阀门包括低温球阀、低温電(diàn)磁阀、低温闸阀、低温截止阀、低温安全阀、低温止回阀，低温蝶阀，低温针阀，低温节流阀，低温减压阀、低温電(diàn)动调节阀、低温气动调节阀等低温阀门所控制的介质除了液氮和其他(tā)液态惰性气體(tǐ)外，大部分(fēn)介质不但易燃、易爆，而且在升温或者闪蒸时会发生气化，致使體(tǐ)积急剧膨胀，容易导致泄漏和爆炸。基于介质特点及适应阀门在低温下使用(yòng)的要求，低温阀门的设计、制造、试验和安装方法等均与普通阀门有(yǒu)不同之处。

一、低温阀门的标准和定义

不同标准对低温阀门有(yǒu)不同定义。
（1）英國(guó)阀门标准 BS6364《低温用(yòng)阀门》适用(yòng)于介质温度范围為(wèi)-50℃~-196℃ ；
（2）美國(guó)标准 MSSSP-134 《对低温阀门及其阀體(tǐ)/阀盖加長(cháng)體(tǐ)的要求》对低温的解释為(wèi)“对于标准惯例来说，低温范围介于-100℃~ -195℃”；
（3）中國(guó)國(guó)家标准GB/T 24925《低温阀门技术条件》标准适用(yòng)于介质温度范围為(wèi)-29℃~-196℃；
（4）壳牌阀门标准SHELL MESC SPE 77/200《低温及超低温用(yòng)阀门》适用(yòng)于介质温度范围為(wèi)-30℃~-196℃。
（5）國(guó)外根据各种不同气體(tǐ)在常压下的液化温度一般分(fēn)為(wèi)六种温度级。
 一级為(wèi)0~ -46℃  

二级為(wèi)-47~-60℃  

三级為(wèi)-61~-70℃
四级為(wèi)-71~-101℃ 

五级為(wèi)-102~-196℃ 

六级為(wèi)-253℃以下

一般将 -46~-150℃称為(wèi)低温 ，-150℃ 以下称為(wèi)超低温。
   石化行业对低温阀门的定义是按照输送介质的设计温度来定义的，一般将应用(yòng)在介质温度 -40 ℃以下的阀门称作低温阀，应用(yòng)在介质温度 -101 ℃以下的阀门称作超低温阀门。

二、低温阀门的设计特点
1、低温阀门的材料选择
   低温阀门的工作介质不仅温度低，而且大部分(fēn)或，而且渗透性强，因此决定了对阀门用(yòng)材的诸多(duō)特殊要求。在低温状态下钢的机械性能(néng)与常温时不同，低温用(yòng)钢，除强度外，重要的指标就是其低温冲击韧性。材料的低温冲击韧性与材料的脆性转变温度有(yǒu)关，材料的脆性转变温度愈低，材料的低温冲击韧性愈好。碳钢等體(tǐ)心立方晶格的金属材料存在低温冷脆现象，而奥氏體(tǐ)不锈钢等面心立方晶格的金属材料其冲击韧性基本不受低温影响。 
   低温阀门阀體(tǐ)、阀盖等耐压零件的材料，通常采用(yòng)低温强度好的韧性材料，同时还要考虑焊接性、机加工性能(néng)、稳定性和经济性等因素。设计时，常用(yòng)的是-46℃、-101℃和-196℃三个低温级别。-46℃低温级一般选用(yòng)低温碳钢，-101℃和-196℃低温级一般选用(yòng)300系列奥氏體(tǐ)不锈钢，这种不锈钢有(yǒu)适中的强度、较好的韧性和较好的加工性能(néng)等。

2、石化低温阀门的结构设计
   （1）阀盖结构设计
   低温阀门的一个显注的特点就是其阀盖一般為(wèi)長(cháng)颈结构，在GB/T24925《低温阀门技术条件》中也有(yǒu)明确规定 “低温闸阀、截止阀、球阀、蝶阀的阀盖应根据不同的使用(yòng)温度要求设计成便于保冷的長(cháng)颈阀盖结构，以保证填料函底部的温度保持在0℃以上”。加長(cháng)阀盖结构的设计主要是為(wèi)了使阀门操作手柄和填料函结构遠(yuǎn)离低温區(qū)，既可(kě)以避免温度太低造成操作人员冻伤，也可(kě)以保证填料函和压套在正常的温度下使用(yòng)，防止填料的密封性能(néng)降低，延長(cháng)填料的使用(yòng)寿命。因為(wèi)在低温状态下随着温度的降低，填料弹性逐渐消失，防漏性能(néng)随之下降，由于介质渗漏造成填料与阀杆处结冰，影响阀杆正常操作，同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤，引起严重泄漏。所以低温阀门必须采用(yòng)長(cháng)颈阀盖结构形式。此外，長(cháng)颈结构还便于缠绕保冷材料，防止冷能(néng)损失。由于低温管道一般有(yǒu)着较厚的保冷层厚度，長(cháng)颈阀盖便于保冷施工，并使填料压盖处于保冷层外，有(yǒu)利于需要时随时紧固压盖螺栓或添加填料而无需损坏保冷层。
   BS6364、MSS SP-134 和 SHELL MESC SPE77/200 标准均对阀盖加長(cháng)尺寸进行了规定。其中，BS6364规定了15～500带冷箱的加長(cháng)尺寸，并规定非冷箱小(xiǎo)加長(cháng)長(cháng)度应為(wèi)250mm；MSS SP-134 则包含了15～300的带冷箱和非冷箱的加長(cháng)尺寸要求，比较而言，非冷箱加長(cháng)尺寸比BS6364 规定長(cháng)，带冷箱加長(cháng)尺寸比BS6364 规定短。SHELL MESC SPE 77/200则没有(yǒu)对带冷箱和非冷箱进行區(qū)分(fēn)，规定了15～1200在不同温度范围的長(cháng)度 。 
   综合考虑，SHELL MESC SPE 77/200 其加長(cháng)長(cháng)度选用(yòng)范围较宽使用(yòng)比较方便可(kě)靠，如用(yòng)于低温关键场合可(kě)参考 SHELL MESC SPE 77/200 标准进行设计或按设计单位特殊長(cháng)度要求进行设计。此外，在进行長(cháng)度选用(yòng)时还需考虑设计保冷层厚度是否大于该長(cháng)度，如是则应加長(cháng)以和保冷厚度匹配。 
   （2）滴水板结构设计
   由于阀门内传递是低温介质，為(wèi)了避免或减少介质温度向阀杆及其上端的填充材料传递，防止这些材料因冻结而失效，可(kě)在阀门中增加滴水板结构。一些研究机构对这种带有(yǒu)滴水板结构的阀门进行了实验验证，并证明了带有(yǒu)滴水板的阀门阀盖上端温度较高。由于延長(cháng)阀盖上部的温度较低，通常情况下阀门暴露在空气中，空气中的水蒸气遇到低温阀盖会液化成水珠，滴水板的直径超过中法兰直径，可(kě)以防止低温液化的水蒸气滴落在中法兰螺栓上，避免螺栓锈烛影响在線(xiàn)维修。此外，滴水板需设置在保冷层外侧，可(kě)以防止冷凝的水滴落到保冷层及阀體(tǐ)上部，保护保冷层及防止冷量流失。 
   （3）泄压部件的结构设计
   对于有(yǒu)密闭中腔结构的低温阀门，当应用(yòng)在易燃、易爆且容易气化的介质时，对于阀门密封结构有(yǒu)着特殊的要求。一些低温介质在汽化后其體(tǐ)积会升高，例如，液化天然气汽化后的體(tǐ)积為(wèi)液态时的六百多(duō)倍，当阀门為(wèi)闭合状态且周围环境温度相对较高时，阀體(tǐ)内的低温介质吸收环境中热量而逐渐汽化，其體(tǐ)积迅速上升，导致阀门内部超压，甚至威胁到阀门的安全，导致介质泄露甚至造成火灾事故，為(wèi)保证阀门和工厂的安全性，此类阀门要求带中腔自泄压结构，使阀门内腔压力异常超压时，实现自动泄放。如低温闸阀、球阀，由于阀门密封原理(lǐ)不同，在泄压设计上，会有(yǒu)明显的區(qū)别。不过不同的厂家在泄压结构的设计上，多(duō)有(yǒu)自己不同的特点。 
   （4）防静電(diàn)及防火结构设计
   由于低温阀门一般应用(yòng)在易燃、易爆的介质上，防静電(diàn)设计及防火设计显得尤為(wèi)重要。防静電(diàn)设计主要是以一种类似避雷针的引导電(diàn)流方式，将阀杆与阀體(tǐ)导通，从而将静電(diàn)导出以消除安全隐患，保证整个系统的供应安全。如GB/T24925 明确规定“用(yòng)于易燃蒸气或液體(tǐ)的具有(yǒu)软阀座或软的关闭插入部件的阀门，在设计时应保证阀體(tǐ)和阀杆具有(yǒu)导電(diàn)连贯性，放電(diàn)路径大電(diàn)阻不应超过10Ω。”。防火结构的设计主要是针对因温度剧烈变化而导致的介质泄露问题而进行的，防火结构的设计与普通阀门的设计要求类似。 
   （5）阀體(tǐ)
   阀體(tǐ)应能(néng)充分(fēn)承受温度变化而引起的膨胀、收缩。而且阀座部位的结构不会因温度变化而产生变形。  

   （6）阀瓣

闸阀采用(yòng)挠性闸板或开式闸板；截止阀的平阀座及针形阀，采用(yòng)塞子形的阀瓣。这些结构形式不论温度如何变化，均能(néng)保持可(kě)靠的密封。 
   （7）阀杆

阀杆需镀铬、镀镍磷或经氮化处理(lǐ)，以提高阀杆表面硬度，防止阀杆与填料、填料压套（压盖）相互咬死，损坏密封填料，造成填料函泄漏。    
   （8）垫片

垫片选用(yòng)要考虑垫片材料的低温性能(néng)，如压缩回弹性、预紧力、紧固压力分(fēn)布以及应力松弛特性等。 

（9）填料函及填料

填料函不能(néng)与低温段直接接触，而设在長(cháng)颈阀盖顶端，使填料函处于离低温较遠(yuǎn)的位置，在0℃以上的温度环境下工作。这样，提高了填料函的密封效果。在泄漏时，或当低温流體(tǐ)直接接触填料造成密封效果下降时，可(kě)以从填料函中间加入润滑脂形成油封层，降低填料函的压差，作為(wèi)辅助密封措施。填料函多(duō)采用(yòng)带有(yǒu)中间金属隔离环的二段填料结构。但也有(yǒu)的采用(yòng)一般阀门填料函结构和阀杆能(néng)自紧的二重填料函结构等其他(tā)型式。

（10）上密封

低温阀都设上密封座结构，上密封面要堆焊钴铬钨硬质合金，精加工后研磨。  

     （11）阀座、阀瓣（闸板）密封面

低温阀的关闭件采用(yòng)钴铬钨硬质合金堆焊结构。软密封结构由于聚四氟乙烯膨胀系数大，低温变脆，所以仅适用(yòng)于温度高于-70℃的低温阀，但聚三氟乙烯可(kě)用(yòng)于-162℃的低温阀。  
    （12）中法兰螺栓

螺栓应有(yǒu)足够的强度，这是因為(wèi)螺栓在反复载荷下工作，常会因疲劳而产生断裂。因螺栓在螺纹根部易引起应力集中，所以采用(yòng)全螺纹结构的螺栓。   

三、低温阀门的安装要求
   因為(wèi)低温阀门的特殊结构，低温阀门的安装亦有(yǒu)其特殊要求。因為(wèi)低温阀门的長(cháng)颈阀盖结构特点，低温阀门在安装时阀杆阀杆方向必须在垂直向上的45度角范围内，且应尽量避免安装在垂直管線(xiàn)上。否则低温介质将充满阀盖的加長(cháng)部分(fēn)，造成阀门填料失效，并会将冷量传给阀门手柄，给操作人员带来人身伤害。对于有(yǒu)泄压结构的低温阀门，在安装阀门时，要特别注意阀门泄压方向的要求。阀门泄压的方向应在工艺流程图上标出，并體(tǐ)现在管道轴测图中。

四、低温阀门产生泄漏的原因

1、内漏：阀门产生内漏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體(tǐ)积变化，使原本研磨精度很(hěn)高的密封面产生翘曲变形而造成低温密封不良。
2、阀门的外漏：其一是阀门与管路采用(yòng)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。因此可(kě)把阀體(tǐ)与管路的连接方式由法兰连接改為(wèi)焊接结构，避免了低温泄漏。其二是阀杆与填料处的泄漏。 

五、低温阀门制造
   对所生产的低温阀门制定了严格的制造工艺和采用(yòng)专用(yòng)设备，对零件的加工进行严格的质量控制。经特殊的低温处理(lǐ)，将粗加工的零件置于冷却介质中数小(xiǎo)时（2-6小(xiǎo)时），以释放应力，确保材料的低温性能(néng)，保证精加工尺寸，以防阀门在低温工况时，因温度变化造成变形而导致的泄漏。阀门的装配与普通阀门也不同，零件需经过严格的清洗，除去任何油污，以保证使用(yòng)性能(néng)。 

六、低温阀门试验和检验：
   对低温阀的主要零部件作低温处理(lǐ)并每批抽样作低温冲击试验，以保证阀门在低温工况时不脆裂，经得起低温介质冲击。
1、对每台阀门进行以下试验：
（1）常温壳體(tǐ)强度试验；常温低压上密封试验；常温低压密封试验；
（2）低温上密封气密试验（有(yǒu)上密封时）；低温气密封试验等，以确保整台低温阀门符合标准的规定；
（3）对主要零部件作低温处理(lǐ)并每批抽样作低温冲击试验，以保证阀门在低温工况时不脆裂，经得起低温介质冲击；
（4）低温（深冷 ）阀门均按相应材料规范进行低温处理(lǐ)和冲击试验；
（5）阀體(tǐ)与阀杆或内件与阀體(tǐ)间导通電(diàn)阻小(xiǎo)于1欧姆。 
2、低温阀门试验设备：
   低温阀试验装置、液氮储存装置、低温处理(lǐ)槽
3、低温阀门试验方法：
（1）试验前的准备
   清除阀门零件的油渍，将它们擦干净并在干净，没有(yǒu)灰尘和油渍的环境下将阀门装配好；将螺栓拧紧到预定的力矩值和拉力值，并记录下该值；用(yòng)合适的热電(diàn)偶与阀门连接，从而能(néng)在整个试验过程中监控阀门的温度。
（2）试验
   将阀门安装在试验容器内并连接好，要确保阀门填料处在容器顶部没有(yǒu)汽化气體(tǐ)的位置在室温下用(yòng)规定介质气體(tǐ)以大阀座试验压力进行初始的系统验证试验，以确保阀门是在合适的状态下，然后开始进行试验将阀门浸入液氮中进行冷却，液體(tǐ)的水平面至少淹住阀體(tǐ)与阀盖的连接部位，在整个冷却过程中一直向阀门提供氦气。在冷却过程中，用(yòng)安装在适当位置上的热電(diàn)偶对阀门的温度进行监控。阀门在试验温度下达到稳定。用(yòng)热電(diàn)偶测定温度以确信阀门的温度达到均匀。在试验温度下用(yòng)氦气以大阀座试验压力进行初始的验证试验在阀门的进口侧进行阀座压力试验，能(néng)够双向密封的阀门，对两个阀座分(fēn)别进行试验。使阀门处在开启位置，关闭阀门出口侧的针形阀，将阀腔中的压力升至阀座试验压力。将该压力保持规定的要求，检查阀门填料处及阀體(tǐ)与盖连接处是否泄漏，应无泄漏。使阀门恢复室温，再进行常温密封试验。试验完成后，将阀门清洁、吹干，检查合格后出厂。