低溫閥低溫閥門設計特點

1、低溫閥門的材料選擇

低溫閥門的工作介質不僅溫度低，而且大部分或有毒，或易燃、易爆，而且滲透性強，因此決定了對閥門用材的諸多特殊要求。在低溫狀態(tài)下鋼的機械性能與常溫時不同，低溫用鋼，除強度外，最重要的指標就是其低溫沖擊韌性。材料的低溫沖擊韌性與材料的脆性轉變溫度有關，材料的脆性轉變溫度愈低，材料的低溫沖擊韌性愈好。碳鋼等體心立方晶格的金屬材料存在低溫冷脆現(xiàn)象，而奧氏體不銹鋼等面心立方晶格的金屬材料其沖擊韌性基本不受低溫影響。

低溫閥門閥體、閥蓋等耐壓零件的材料，通常采用低溫強度好的韌性材料，同時還要考慮焊接性、機加工性能、穩(wěn)定性和經濟性等因素。工程公司設計時，最常用的是 -46℃、-101℃和-196℃三個低溫級別。-46℃低溫級一般選用低溫碳鋼，-101℃和 -196℃低溫級一般選用 300系列奧氏體不銹鋼，這種不銹鋼有適中的強度、較好的韌性和較好的加工性能等。根據(jù) ASMEB31.3 低溫閥門常用材料的最低適用溫度見表 1。

2、低溫閥門的結構設計

1）閥蓋結構設計

低溫閥門的一個最顯注的特點就是其閥蓋一般為長頸結構，在 GB/T 24925《低溫閥門技術條件》中也有明確規(guī)定“低溫閘閥、截止閥、球閥、蝶閥的閥蓋應根據(jù)不同的使用溫度要求設計成便于保冷的長頸閥蓋結構，以保證填料函底部的溫度保持在 0℃以上”。 加長閥蓋結構的設計主要是為了使閥門操作手柄和填料函結構遠離低溫區(qū)，既可以避免溫度太低造成操作人員凍傷，也可以保證填料函和壓套在正常的溫度下使用，防止填料的密封性能降低，延長填料的使用壽命。此外，由于低溫管道一般有著較厚的保冷層厚度，長頸閥蓋便于保冷施工，并使填料壓蓋處于保冷層外，有利于需要時隨時緊固壓蓋螺栓或添加填料而無需損壞保冷層。

BS6364、MSS SP-134 和 SHELL MESC SPE77/200 標準均對閥蓋加長尺寸進行了規(guī)定。其中，BS6364 規(guī)定了15～ 500帶冷箱的加長尺寸 ， 并規(guī)定非冷箱最小加長長度應為250mm；MSS SP-134 則包含了15～300的帶冷箱和非冷箱的加長尺寸要求，比較而言，非冷箱加長尺寸比 BS6364 規(guī)定長，帶冷箱加長尺寸比 BS6364 規(guī)定短。SHELL MESC SPE 77/200則沒有對帶冷箱和非冷箱進行區(qū)分，規(guī)定了15～1200在不同溫度范圍的長度 。 綜合考慮，SHELL MESC SPE 77/200 其加長長度選用范圍較寬使用比較方便可靠，如用于低溫關鍵場合可參考 SHELL MESC SPE 77/200 標準進行設計或按設計單位特殊長度要求進行設計。此外，在進行長度選用時還需考慮設計保冷層厚度是否大于該長度，如是則應加長以和保冷厚度匹配。

2）滴水板結構設計

由于閥門內傳遞是低溫介質，為了避免或減少介質溫度向閥桿及其上端的填充材料傳遞，防止這些材料因凍結而失效，可在閥門中增加滴水板結構。一些研究機構對這種帶有滴水板結構的閥門進行了實驗驗證，并證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端溫度較高。由于延長閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹燭影響在線維修。此外，滴水板需設置在保冷層外側，可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部，保護保冷層及防止冷量流失。

3、泄壓部件的結構設計

對于有密閉中腔結構的低溫閥門，當應用在易燃、易爆且容易氣化的介質時，對于閥門密封結構有著特殊的要求。一些低溫介質在汽化后其體積會升高，例如，液化天然氣汽化后的體積為液態(tài)時的六百多倍，當閥門為閉合狀態(tài)且周圍環(huán)境溫度相對較高時，閥體內的低溫介質吸收環(huán)境中熱量而逐漸汽化，其體積迅速上升，導致閥門內部超壓，甚至威脅到閥門的安全，導致介質泄露甚至造成火災事故，為保證閥門和工廠的安全性，此類閥門要求帶中腔自泄壓結構，使閥門內腔壓力異常超壓時，實現(xiàn)自動泄放。如低溫閘閥、球閥，由于閥門密封原理不同，在泄壓設計上，會有明顯的區(qū)別。不過不同的廠家在泄壓結構的設計上，多有自己不同的特點。

4、防靜電及防火結構設計

由于低溫閥門一般應用在易燃、易爆的介質上，防靜電設計及防火設計顯得尤為重要。防靜電設計主要是以一種類似避雷針的引導電流方式，將閥桿與閥體導通，從而將靜電導出以消除安全隱患，保證整個系統(tǒng)的供應安全。如GB/T 24925 明確規(guī)定 “ 用 于 易燃蒸氣或液體的具有軟閥座或軟的關閉插入部件的閥門，在設計時應保證閥體和閥桿具有導電連貫性，放電路徑最大電阻不應超過 10Ω?！薄７阑鸾Y構的設計主要是針對因溫度劇烈變化而導致的介質泄露問題而進行的，防火結構的設計與普通閥門的設計要求類似。

低溫閥門包括閘閥、截止閥、止回閥、球閥、蝶閥、節(jié)流閥，減壓閥等。其中，最常用的為低溫閘閥、低溫截止閥、低溫球閥和低溫蝶閥。如MSS SP-134標準中涉及低溫閘閥、低溫截止閥、低溫球閥和低溫蝶閥，GB/T 24925標準中涉及低溫閘閥、低溫截止閥、低溫止回閥、低溫球閥和低溫蝶閥。

不同標準對低溫閥門有不同定義。如英國閥門標準 BS6364《低溫用閥門》適用于介質溫度范圍為-50℃~-196℃ ； 美 國 標 準 MSSSP-134 《對低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》對低溫的解釋為“對于標準慣例來說，低溫范圍介于 -100℃~ -195℃”；中國國家標準GB/T 24925《低溫閥門技術條件》標準適用于介質溫度范圍為 -29 ℃~ -196℃；殼牌閥門標準 SHELL MESC SPE 77/200《低溫及超低溫用閥門》適用于介質溫度范圍為 -30 ℃~ -196℃。國外根據(jù)各種不同氣體在常壓下的液化溫度一般分為六種溫度級。一級為 0~ -46℃，二級為 -47~ -60℃，三級為 -61~ -70℃，四級為-71~-101℃ ， 五級為-102~-196℃ ， 六級為-253℃以下。一般將 -46~-150℃稱為低溫 ，-150℃以下稱為超低溫。

石化行業(yè)對低溫閥門的定義是按照輸送介質的設計溫度來定義的，一般將應用在介質溫度 -40 ℃以下的閥門稱作低溫閥，應用在介質溫度 -101 ℃以下的閥門稱作超低溫閥門。

包括低溫球閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫安全閥、低溫止回閥，低溫蝶閥，低溫針閥，低溫節(jié)流閥，低溫減壓閥等，主要用于乙烯，液化天然氣裝置，天然氣LPG LNG儲罐，接受基地及衛(wèi)星站，空分設備，石油化工尾氣分離設備，液氧、液氮、液氬、二氧化碳低溫貯槽及槽車、變壓吸附制氧等裝置上。輸出的液態(tài)低溫介質如乙烯、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產品等，不但易燃易爆，而且在升溫時要氣化，氣化時，體積膨脹數(shù)百倍。

液化天然氣閥門的材料非常重要，材質不合格，會造成殼體及密封面的外漏或內漏；零部件的綜合機械性能、強度和鋼度滿足不了使用要求甚至斷裂。導致液化天然氣介質泄漏引起爆炸。因此，在開發(fā)、設計、研制液化天然氣閥門的過程中，材質是首要關鍵的問題。

經過多年制造，已積累了豐富的經驗，從設計、工藝到制造日趨成熟，并已開發(fā)形成了低溫閥門的系列產品。

近幾十年，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，工程項目中對低溫閥門的需求越來越多。低溫閥門在化肥、LNG 及石油化工等領域使用較多。低溫閥門所控制的介質除了液氮和其他液態(tài)惰性氣體外，大部分介質不但易燃、易爆，而且在升溫或者閃蒸時會發(fā)生氣化，致使體積急劇膨脹，容易導致泄漏和爆炸。基于介質特點及適應閥門在低溫下使用的要求，低溫閥門的設計、制造、試驗和安裝方法等均與普通閥門有不同之處。

因為低溫閥門的特殊結構，低溫閥門的安裝亦有其特殊要求。因為低溫閥門的長頸閥蓋結構特點，低溫閥門在安裝時閥桿閥桿方向必須在垂直向上的 45 度角范圍內，且應盡量避免安裝在垂直管線上。否則低溫介質將充滿閥蓋的加長部分，造成閥門填料失效，并會將冷量傳給閥門手柄，給操作人員帶來人身傷害。對于有泄壓結構的低溫閥門，在安裝閥門時，要特別注意閥門泄壓方向的要求。閥門泄壓的方向應在工藝流程圖上標出，并體現(xiàn)在管道軸測圖中。

主要有兩種情況，一是內漏；二是外漏。

低溫閥內漏

閥門產生內漏主要原因是密封副在低溫狀態(tài)下產生變形所致。當介質溫度下降到使材料產生相變時造成體積變化，使原本研磨精度很高的密封面產生翹曲變形而造成低溫密封不良。

低溫閥外漏

閥門的外漏：其一是閥門與管路采用法蘭連接方式時，由于連接墊料、連接螺栓、以及連接件在低溫下材料之間收縮不同步產生松弛而導至泄漏。因此可把閥體與管路的連接方式由法蘭連接改為焊接結構，避免了低溫泄漏。其二是閥桿與填料處的泄漏。

超低溫閥指的是-101℃（不含）以下的閥門，通常采用低溫性能好的低合金鋼制造，在結構設計和工藝上都有特殊要求。

superlow temperature valve

如設有防止積存在體腔內液體氣化，產生異常升壓的結構，采用“長頸”結構，真空夾套等以減少冷損。

用于石油產品、石油氣與天然氣的液化分離和液氧等生產裝置上的閥門。

超低溫閥：用于介質工作溫度 t<－101℃的閥門。

2019年10月18日，《低溫閥門―技術條件》發(fā)布。

2020年5月1日，《低溫閥門―技術條件》實施。