淺談低溫球閥的設計及安裝原理

在目前的大中型乙烯裝置中，裂解氣中氫氣、甲烷等組分的分離多采用深冷分離；在煤制甲醇凈化裝置中也主要用到深冷分離技術。為滿足這一要求，低溫閥門被廣泛應用，只有了解低溫閥的設計要求和特殊結構，在選用和安裝的過程中才不會出現問題。
    低溫閥門，特別是超低溫閥門，其工作溫度極低。在設計這類閥門時，除了應遵循一般閥門的設計原則外，還有一些特殊的要求。
    1 低溫閥門的設計要求
    根據使用條件，低溫閥的設計有下列要求：
    1.1 閥門不應成為低溫系統的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內部流體急速蒸發，產生異常升壓，造成危險。
    1.2 低溫介質不應對手輪操作及填料密封性能產生有害的影響。
    1.3 直接與低溫介質接觸的閥門組合件應具有防爆和防火結構。
    1.4 在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結構措施，以防止摩擦件擦傷。
    2 低溫閥的材料選用
    2.1 低溫閥主體材料
    2.1.1 主體材料選用應考慮的因素
    從金相考慮，金屬材料中除了具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅、鋁等以外，一般的鋼材在低溫狀態下會出現低溫脆性，從而降低閥門的強度和使用壽命。選擇主體材料時首先要選用適合于低溫下工作的材料。
    鋁在低溫下不會出現低溫脆性，但因鋁及鋁合金的硬度不高，鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差，所以在低溫閥門中的使用有一定的限制，僅在低壓和小口徑閥中選用。除此以外，低溫閥門的材料選用還應考慮以下一些因素：
    1）閥門的zui低使用溫度；
    2）金屬材料在低溫下保持工作條件所需要的力學性能，特別是沖擊韌性、相對延伸率及組織穩定性；
    3）在低溫及無油潤滑的情況下，具有良好的耐磨性；
    4）具有良好的耐蝕性；
    5）采用焊接連接時還需考慮材料的焊接性能。
    2.1.2 閥體、閥蓋、閥座、閥瓣（閘板）材料的選用
    這些主體零部件材料的選用原則大致是：溫度高于-100℃時選用鐵素體鋼；溫度低于-100℃時選用奧氏體鋼；低壓及小口徑閥門可選用銅和鋁等材料。設計時根據zui低使用溫度選擇適當的材料。
    2.1.3 閥桿及緊固件的材料選用
    溫度高于-100℃時，閥桿和螺栓材料采用Ni、，Cr-Mo等合金鋼，經適當的熱處理，以提高抗拉強度和防止螺紋咬傷等。溫度低于-100℃時，采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低，會造成閥桿與填料相互擦傷，致使填料處泄漏。所以，閥桿表面必須鍍硬鉻（鍍層厚0.04-0.06mm），或進行氮化和鍍鎳磷處理，以提高表面硬度。
    為防止螺母與螺栓咬死，螺母一般采用Mo鋼或Ni鋼，同時在螺紋表面涂二硫化鉬。
    2.2 低溫閥墊片、填料材料的選用
    在低溫閥門設計中，一方面由結構設計來保證使填料處于接近環境溫度下工作，例如，采用長頸閥蓋結構，使填料函離低溫介質盡量遠些，另一方面在選擇填料時要考慮填料的低溫特性。低溫閥中一般采用浸漬聚四氟乙烯的石棉填料。柔性石墨是新近發展起來的一種優良的密封材料。低溫閥門也可采用無填料的波紋管密封結構，通常情況下使用多層波紋管。低溫閥門用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復原性。由于墊片材料在低溫下會硬化和降低塑性，所以應選擇性能變化小的墊片材料。使用溫度為-200℃，低溫zui高使用壓力3MPa時，采用長纖維白石棉的石棉橡膠板。使用溫度為-200℃，zui高使用壓力5MPa時，采用耐酸鋼帶夾石棉纏制而成的纏繞式墊片，或聚四氟乙烯和耐酸鋼帶繞制而成的纏繞式墊片。柔性石墨與耐酸鋼繞制而成的纏繞式墊片用于-200℃的低溫閥門上比較理想。
    3 低溫閥門的特殊結構
    低溫閥門主要有閘閥、截止閥、球閥、蝶閥、止回閥等型式，其主要結構與一般閥門大致相同。
    3.1 閥體
    閥體應能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮。而且閥座部位的結構不會因溫度變化而產生*變形。
    3.2 閥蓋
    采用長頸閥蓋結構。其目的在于能起保護填料函的功能。因為填料函的密封性是低溫閥的關鍵之一。該處如有泄漏。將降低保冷效果，導致液化氣體氣化。這是因為在低溫狀態下隨著溫度的降低，填料彈性逐漸消失，防漏性能隨之下降，由于介質滲漏造成填料與閥桿處結冰，影響閥桿正常操作，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結構形式。此外，長頸結構還便于纏繞保冷材料，防止冷能損失。
    3.3 閥瓣
    閘閥采用撓性閘板或開式閘板；截止閥的平閥座及針形閥，采用塞子形的閥瓣。這些結構形式不論溫度如何變化，均能保持可靠的密封。
    3.4 閥桿
    閥桿需鍍鉻、鍍鎳磷或經氮化處理，以提高閥桿表面硬度，防止閥桿與填料、填料壓套（壓蓋）相互咬死，損壞密封填料，造成填料函泄漏。
    3.5 墊片
    墊片選用要考慮墊片材料的低溫性能，如壓縮回彈性、預緊力、緊固壓力分布以及應力松弛特性等。
    3.6 填料函及填料
    填料函不能與低溫段直接接觸，而設在長頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠的位置，在0℃以上的溫度環境下工作。這樣，提高了填料函的密封效果。在泄漏時，或當低溫流體直接接觸填料造成密封效果下降時，可以從填料函中間加入潤滑脂形成油封層，降低填料函的壓差，作為輔助密封措施。填料函多采用帶有中間金屬隔離環的二段填料結構。但也有的采用一般閥門填料函結構和閥桿能自緊的二重填料函結構等其他型式。
    3.7 上密封
    低溫閥都設上密封座結構，上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質合金，精加工后研磨。
    3.8 閥座、閥瓣（閘板）密封面
    低溫閥的關閉件采用鈷鉻鎢硬質合金堆焊結構。軟密封結構由于聚四氟乙烯膨脹系數大，低溫變脆，所以僅適用于溫度高于-70℃的低溫閥，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低溫閥。
    3.9 中法蘭螺栓
    3.9.1 螺栓應有足夠的強度，這是因為螺栓在反復載荷下工作，常會因疲勞而產生斷裂。
    3.9.2 因螺栓在螺紋根部易引起應力集中，所以采用全螺紋結構的螺栓。
    3.10 預防異常升壓的措施
    閥門關閉后，閥腔內會殘留一些液體。隨著時間的增加，這些殘留在閥腔里的液體會漸漸吸收大氣中的熱量，回升到常溫并重新氣化。氣化后，其體積激劇膨脹，約增加600倍之多，因而產生*的壓力，并作用于閥體內部。這種情況稱為異常升壓，這是低溫閥門*的現象。發生異常升壓現象時，會使閘板緊壓在閥座上，導致閘板不能開啟。這時，高壓會將中法蘭墊片沖出或沖壞填料；也可能引起閥體、閥蓋變形，使閥座密封性顯著下降；甚至閥蓋破裂，造成嚴重事故。為防止異常升壓現象發生，一般低溫閥門在結構上采用以下措施：
    3.10.1 設置泄壓孔，又稱壓力平衡孔或排氣孔，即在彈性閘板或雙閘板進口側鉆一小孔，作為閥體內腔和進口側的壓力平衡孔。當閥腔壓力升高時，氣體可以通過小孔排出。這種方法比較簡單，目前已被廣泛采用。采用泄壓孔防止異常升壓，在閥體設計時，應有指示流體流向的箭頭；安裝時，要注意泄壓孔的位置，保證泄壓孔通向介質進口的一側，泄壓孔開設在閘板上時，更要注意。泄壓孔開設的位置視閥門結構而定，有的在閥體上；有的在閘板上。
    3.10.2 在閥門上設置引出管或安裝安全閥以排出異常高壓。一般是在閥蓋上裝一只安全閥。當壓力升高到某一定值時，安全閥開啟，排放出異常高壓，保證閥體安全。也可在閥體下部安裝排氣閥，將閥體中腔內的殘液排盡，以預防異常升壓的發生。
    4 低溫閥的安裝要求
    了解了低溫閥的設計要求及特殊結構，在具體的安裝過程中要遵循如下原則：
    4.1 當流體是液體時，低溫閥的閥桿應向上安裝，防止閥門關閉后，閥腔內會殘留一些液體，液體氣化造成異常升壓，閘板無法開啟。而且低溫閥的閥桿較長，安裝時應引起重視。
    4.2 有泄壓孔的低溫閘閥，應在閥體上標記泄壓孔方向，并注意標記不應被保冷層覆蓋。
注：“↑”泄壓孔方向
圖1 安全閥、調節閥檢修期間泄壓孔方向

5 結論
    隨著石油化工裝置越來越大型化，如何降低能耗，節省投資成為一個主要問題。低溫閥門在整個裝置中占有相當比例且費用較高，那么更好的選擇低溫閥門，正確的安裝低溫閥門至關重要。