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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 低温阀门特点的探讨 刘先禹,霍金海 (TGE气体工程有限公司, 上海 200120) 摘 要:详述了低温阀门不同于普通阀门的材料选用要求,常用低温材料最低设计温度范围,检测和热处理特点,并介绍了低 温阀门特有的长颈及释放孔结构,以及试验和安装中的特点和特殊要求,结合长期监造过程发现的国内厂家阀门产品的常见问题,为 低温阀门的设计,采购,检测,安装与使用提供一定的参考。 关键词:低温阀门;性能试验;长颈阀盖 The Charact
2、eristics of Cryogen ic Valve L IU X ian-yu, HUO Jin-hai (TGE Gas Engineering Co1Ltd1, Shanghai 200031, China) Abstract: The differences bet ween the cryogenic valve and nor mal valve in material select requirement, lowest de2 sign scope of common cryogenic material, test and heat treat ment characte
3、r were explained, and the cryogenic valves special extend bonnet and release hole, and the unique test and installation requirementwere introduced, integrated with the localmanufactures common problem found in long - ter m valve inspection, provided reference for the design, pur2 chase, test, instal
4、lation and operation of cryogenic valves1 Key words: cryogenic valve; perfor mance test; extend bonnet 作者简介:刘先禹, 1974年11月生, 97年毕业于西北大学化工设备与机械专业, TGE气体工程有限公司,中级职称,现从事储运工程设计工作。 霍金海,中国石油天然气第六建设公司,石化工程建设相关工作。 不同标准对低温阀门有不同定义。国内通常把设计温度在 - 40196 的阀门定义为低温阀门;国外有的标准将其定义 为- 29( - 20F)以下的阀门。为了适应阀门在低温下使用的 要求,低温阀
5、门的材料选用,结构形式,试验和安装方法等有着 一些和普通阀门不一样的特点。笔者曾参与数个大型低温气体 储存系统的设计,建造与试车,对低温阀门的监造检验与安装使 用有较长时间的接触,以下通过对低温阀门的选材,结构,试验 和安装方面的特点加以概述,结合笔者在工作过程中总结的国 内低温阀门的常见问题及特点,为低温阀门的设计,选型,采购 等提供一定的参考。 1 低温阀门材料 111 主材 低温阀门材料的的基本要求,主要有以下几点 1: (1)在工作温度下,不产生低温脆性破坏; (2)在工作温度下,其组织结构应稳定,防止材料相变引起 体积变化; (3)采用焊接结构时,焊接性能及低温下焊缝必须可靠; (4
6、)在低温工况下频繁操作,其内件材料无卡阻、 咬合及擦 伤等现象。 表1为常用的几种低温用铸钢的中外标准对照,特殊处理 和使用温度供参考选用 2 ,此外还有一些化学成分和使用温度 与上表材料相似的低温阀门常用的锻钢以及铜等有色金属材 料,限于篇幅这里就不一一列出。 表1 常用的几种低温用铸钢的中外标准对照 分类国标牌号美标牌号日本牌号热处理 使用 温度/ 铁 素 体 铸 钢 ZG25MnA352 LCBG5152 - SCPL1冰冷处理- 46 ZG20Si MnA352 LCC 冰冷处理- 46 ZG20MnMoA352 LC1 G5152 - SCPL11冰冷处理- 59 ZG215NiA3
7、52 LC2 G5152 - SCPL21冰冷处理- 73 ZG315NiA352 LC3 G5152 - SCPL31深冷处理- 101 奥 氏 体 铸 钢 ZG0Cr18Ni9A351 CF8G5121 - SCS13深冷处理- 254 ZG0Cr18 Ni12MO2 A351 CF8M G5121 - SCS14深冷处理- 254 ZG00Cr18Ni10 A351 CF3G5121 - SCS19深冷处理- 254 ZG00Cr17 Ni14MO2 A351 CF3M G5121 - SCS16深冷处理- 254 ZG0Cr18Ni9Ti 深冷处理- 196 ZG1Cr18Ni9Ti
8、深冷处理- 196 7912009年37卷第5期广州化工 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 铁素体低温压力部件一般要求做标准要求的设计温度下的 夏比冲击实验,冲击功平均值和最小 值符合相关标准的要求。 奥氏体不锈钢材料由于具有良好的低温韧性而一般无需做 低温冲击试验。但低温用途的奥氏体不锈钢阀门需要逐件采用 便携式光谱仪进行化学成分分析(PM I) ,由于有色金属材料价格 的昂贵,很多国内材料生产商一般都不愿意添加足量的铬,镍或 钼,通常化学成分分析的结果都是某些
9、有色金属的含量在标准 要求含量的下限附近徘徊或干脆低于标准要求。笔者曾经用磁 铁测试过国内几个阀门生产厂家的奥氏体不锈钢产品,无一例 外均有较大的磁性,这说明奥氏体材料中含有较多的铁素体,较 多的铁素体含量显然会对材料的低温性能有所影响。奥氏体不 锈钢材料中含有较多的铁素体的原因有三:含碳量偏高,有色金 属含量偏低或固溶处理不到位。 低温阀门用金属材料在加工成型后均需要进行低温处理: 冰冷处理或深冷处理。即将工件浸泡在低温液体(冰冷处理采 用干冰加冷冻液,深冷处理采用液氮)中一定时间(一般为两小 时 ) , 然后在空气中将温度恢复到常温。低温浸泡处理的作用主 要是减少残余应力,提高工件的尺寸稳
10、定性,将阀门在低温操作 下可能出现的缺陷提前在制造阶段暴露出来。有的厂家出于成 本或交货期的考虑有时会将该道工序省略,对阀门的安全使用 造成威胁,所以在制定采购质检计划时将该项列入监检是很有 必要的。 112 填料和垫片 低温阀门的填料和垫片要求在低温下保持稳定的密封性 能。一般常用的填料为膨胀石墨或浸渍聚四氟乙烯盘根,常用 的垫片材料为膨胀石墨或浸渍聚四氟乙烯和不锈钢绕制而成的 缠绕式垫片。 低温浮动球阀的阀体和球之间的密封材料一般采用氟塑 料。需要注意的是氟塑料在低温下有很强的收缩性,降低密封 压紧力,影响密封效果,一般来说纯四氟乙烯密封只能用在最低 温度- 70 以上的工况,在- 70
11、以下的情况下必须改用低温 收缩较小的改性四氟乙烯密封。由于改性四氟乙烯和四氟乙烯 的材料有一定的价格差,国内厂家在- 70 以下低温中依然采 用纯四氟乙烯密封的很多,所以很多国产阀门在常温实验下一 切合格,到了低温下就现出原形,内漏不止。监检人员往往对金 属材料很重视,忽视密封材料的控制,在此处必须加以注意。 2 低温阀门的结构特点 211 长颈阀盖 低温阀门的一个最显注的特点就是其阀盖一般为长颈结构, 所以当我们一看到带长阀盖的阀门时就基本可以判断其为低温 用阀门。采用长颈阀盖的原因主要是为了保护填料密封的正常 功能和操作的安全,在低温场合下,大气中的水分会在温度低于 冰点时凝结,形成一层霜
12、冻。如果霜冻在阀杆 表面形成,当阀杆 被执行机构驱动着上下运动时,这层霜冻有可能会被拉入填料造 成撕裂,从而破坏密封,采用长阀杆可以保证填料函温度不至结 冰造成的破坏;由于低温管道一般有着较厚的保冷层厚度,长颈 阀盖可以便于保温施工,并使填料压盖处于保冷层外,有利于需 要时随时紧固压盖螺栓或添加填料而无需损坏保冷层。 在进行长度选用时还需考虑设计保冷层厚度是否大于该长 度,如是则应加长以和保冷厚度匹配,结果见表2。 表2 通常长颈阀盖颈部长度表 公称直径 /mm 颈部长度/mm 温度 T- 60 - 100 温度 T- 60 温度 T- 100 1590110130 25100120150 5
13、0110130170 80120150190 100130160200 150 200 40170220 250 300 50180240 300 350 400 60190250 450 500 70200260 由于阀颈较长的关系,长颈阀盖有时无法整体铸造成型,一 般会将颈和盖分别成型后对接焊在一起上然后再机械加工,阀 门厂和监造人员往往忽视该道焊缝的质量检查而直接送往下道 工序,其实该焊接位置是非常重要的:该位置因形状变形较大且 焊接过而极易形成应力集中,过长的阀杆也使得操作时该处将 承受较大应力。所以对该焊缝必须作射线探伤。 212 释放孔 低温阀门一般用于低温液化气体介质,此类介质在
14、温度升 高的情况下会气化膨胀,如阀门内存在密闭的空间,空间中积液 气化时会造成阀门内压提高数倍而泄漏,严重的会使得阀体开 裂造成事故。球阀在全闭和全开时,以及闸阀在全闭时都会形 成密闭空间,为解决这个问题低温球阀和闸阀上一般都会设置 释放孔以连通密闭空间和流道,释放孔是低温阀门的另一个重 要特点。就是这么简单的释放孔居然也有厂家开错位置的:笔 者曾经发现国内某大型阀门厂的低温球阀释放孔只能在阀门打 开的情况下起到作用,而在关闭时,释放孔只是通往另一个密闭 空间,无法起到完全释放的作用。 释放孔在阀门内的开口方向一般是开向阀门进口方向的, 这是因为进口方向压力高,在阀门关闭时会将阀瓣或球体推向
15、出口侧,出口侧密封面能获得较高的比压,密封效果较好,这就 是为什么低温的球阀和闸阀上会标有流向箭头而常温的球阀和 闸阀上没有流向箭头的原因,在安装时一定要加以注意阀门的 安装方向。 3 低温阀门的试验和安装 311 试验 阀门的试验一般分为出厂试验和型式试验两种。前者为每 891广州化工2009年37卷第5期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 一阀门出厂前均需做的检验,后者为同一型号阀门定型时或停 产一段时间后恢复生产需做的试验,无须100%检验,按相关标 准抽样
16、即可。 表3 一般阀门的出厂和型式试验项目 3 闸阀截止阀球阀蝶阀 出厂试验 强度试验 密封性能试验 上密封试验 型式试验 连续启闭无故障次数 最大启闭力矩 防静电试验 防火试验 流量试验 低温阀门的试验有一些方面需要加以注意,通常的阀门出 厂压力试验介质为水,试验过程中水会渗入填料中而很难排出, 在低温环境中填料中的水结冰,操作时阀杆和填料的摩擦中阀 杆可能会被冰划伤而造成泄漏,也有可能造成阀杆的抱死,故而 国外有些厂家企业标准采用氮气作为试验介质来避免这种缺 点。国内企业出于气体试验不安全的考虑一般还是以水作为试 验介质,但试验结束后需将阀门内腔的积水吸出,并将阀门在半 开状态下风干(阀门在半开状态下内腔和填料部分和空气接触 较好,便于干燥)。 以上试验均为常温下的阀门性能及可靠性试验,为了保证 阀门在低温下的性能,低温阀门还需要进行低温性能试验,船用 低温阀门必需逐个进行低温性能试验,其他阀门按照阀门类型 和比例抽样进行试验(具体按照用户要求 ) , 低温性能试验原理 如下:将阀门在低温下进行开启和关闭操作,用氦气(氦气在- 196 液氮中不
