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            低溫閥門設計重點

            作者:進口閥門 日期:2020-09-28 點擊:1974

            低溫閥門在化肥、LNG 及石油化工等領域使用較多,所控制的介質除了液氮和其他液態惰性氣體外,大部分介質不但易燃、易爆,而且在升溫或者閃蒸時會發生氣化,致使體積急劇膨脹,容易導致泄漏和爆炸。行業內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。

            低溫閥門的材料選擇

            在低溫狀態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、穩定性和經濟性等因素。

            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。

            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》中也有明確規定 “低溫閘閥、截止閥、球閥、蝶閥的閥蓋應根據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,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。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。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。在進行長度選用時除了要滿足BSMSS SP等標準和設計單位的特殊要求外,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時的六百多倍,當閥門為閉合狀態且周圍環境溫度相對較高時,閥體內的低溫介質吸收環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。下圖為典型的閘閥泄壓孔開法。

            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,保證整個系統的供應安全。防火結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。

            5)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永久變形。

            6)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。

            7)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。

            8)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。

            9)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。

            10)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。

            11)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

            12)中法蘭螺栓

            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。因螺栓在螺紋根部易引起應力集中,所以最好采用全螺紋結構的螺栓。

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