低温阀门的设计

低温阀的设计与试验

一、低温阀门的材料选用

1、低温阀门的主体材料

1）主体材料选用应考虑的因素

从金相考虑，金属材料中除了具有面心立方晶格的奥氏体钢、铜、铝等以外，一般的钢材在低温状态下会出现低温脆性，从而降低阀门的强度和使用寿命。表1规定了几类材料的最低使用温度。

表1

铝在低温下不会出现低温脆性，但铝及铝合金的硬度不高，铝密封面的耐磨、耐擦伤性能差，所以仅在低压和小口径的低温阀门中使用。

2）阀体、阀盖、阀座、阀瓣（闸板）材料的选用

温度高于-100℃时选用铁素体钢，温度低于-100℃选用奥氏体钢，低压及小口径阀门可选用铜和铝等材料。

3）阀杆及紧固件的材料选用

温度高于-100℃时，阀杆和螺栓材料采用Ni、Cr-Mo等合金钢，经适当的热处

理，以提高抗拉强度和防止螺纹咬伤等。

温度高于-100℃时，采用奥氏体不锈耐酸钢。18-8耐酸钢硬度低，会造成阀杆

与填料相互擦伤，至使填料处泄露。所以阀杆表面必须镀硬铬（厚度

0.04-0.06mm）,或进行氮化和镀镍磷处理，以提高表面硬度。

为防止螺母与螺栓咬死，螺母一般采用Mo钢或Ni钢，同时在螺纹表面涂二硫

化钼。

2、低温阀垫片、填料的选用

随着温度降低，氟塑料收缩量很大，会使密封性能下降，容易引起泄露。石棉填料无法避免渗透性泄露，橡胶对液化天然气有泡胀性，在低温下不可采用。

在低温阀门设计中，一方面由结构设计来保证使填料处于接近环境温度下工作。

另一方面在选择填料是要考虑填料的低温特性。低温阀中一般采用浸渍聚四氟乙烯的石棉填料。柔性石墨对气体、液体均不渗透，较低的紧固压力就可达到密封,它还有自润滑性。柔性石墨的使用温度范围为-200-870℃。

低温阀门也可采用无填料的波纹管密封结构。

低温阀门用垫片必须在常温、低温及温度变化下具有可靠的密封性和复原性。常采用聚四氟乙烯和耐酸钢带绕制的缠绕式垫片，优先选用柔性石墨和耐酸钢带绕制的缠绕式垫片(-200℃)。

二、低温阀门的特殊结构

1）阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩，且阀座部位的结构不会因温度变化而产生永久变形。

2）阀盖：采用长颈阀盖结构，目的是起到保护填料函的作用。长颈阀盖结构还便于缠绕保冷材料。

3）阀瓣（闸板）：闸阀采用挠性闸板或开式闸板；截止阀的平阀座及针形阀，采用塞子形阀瓣。这些结构形式不论温度如何变化，均能保持可靠的密封。

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

5）垫片：垫片选用应考虑材料的低温性能，如压缩回弹性、予紧力、紧固压力分布以及应力松弛特性等。

6）填料函及填料：填料函不能与低温段直接接触，而设在长颈阀盖顶端，使填料函处于离低温区较远的位置，在0℃以上的温度环境下工作，提高填料函

的密封效果。填料函多采用带有中间金属隔离环的二段填料结构，可以从填

料函中间加入润滑脂形成油封层，降低填料函压差。

7）上密封：低温阀都设有上密封结构，上密封要堆焊钴铬钨硬质合金，精加工后研磨。

8）阀座、阀瓣、（闸板）密封面：低温阀的关闭件采用钴铬钨硬质合金堆焊机构。软密封结构由于聚四氟乙烯膨胀系数大，低温下变脆，所以仅使用温度

高于-70℃的低温阀，但聚三氟乙烯可用于-162℃的低温阀。

9）中法兰螺栓：1）：螺栓应有足够的强度，因为螺栓在反复载荷下工作，常

会因疲劳而产生断裂。

2）：因螺栓在螺纹根部易引起应力集中，所以最好采用全螺

纹结构的螺栓。

10）保冷：又称隔温板，是一块焊在填料函下部长颈部分的圆形板。提高保温效果。

11）预防异常升压的措施：阀门关闭后，阀门腔内会残留一些液体。随着时间的增加，这些液体回吸收大气中的热量，回升到常温并重新气化。气化后，

其体积急剧膨胀，约增加600倍之多，因而产生极高的压力，并作用于阀

体内部。这种现象称为异常升压，是低温阀门特有现象。发生异常升压现

象时，会使闸板紧压在阀座上，导致闸板不能开启。高压会将中法兰垫片

冲出或冲坏填料；也可引起阀体、阀盖变形，使阀座密封性能显著下降。

为防止异常升压现象发生，一般低温阀门在结构上采用以下措施：

1）设置泄压孔，又称压力平衡孔或排气孔。

2）在阀门上设置引出管或安装安全阀以排出异常高压。

三、低温阀门的技术要求

深冷处理：将零件浸入低温液氮箱中保温一定时间，以减少其由于温差

和金相组织改变而产生的变形，从而提高阀门在低温时的密封性能的一

种处理方法。

1)在阀瓣和阀座的密封面上堆焊硬质合金应符合JB/T 6438的规定。使用温度

低于-100℃时，堆焊后要进行深冷处理，即在研磨前浸在-196℃的液氮中保

冷2-6h后取出自然处理，然后研磨装配。

2)用于-100℃以下的低温阀门，其阀体、阀盖、阀瓣、阀座、阀杆等零件在精

加工前应进行深冷处理，即将零件浸放在液氮箱中进行冷却，当零件温度达

到-196℃时，开始保温1-2h，然后取出箱外处理到常温，重复循环2次。

四、低温阀门的试验方法

1、常温试验：常温试验应符合GB/T13927、JB/T909

2、API598及API 6D的

规定。

2、低温试验：低温阀门的低温试验在常温试验合格后进行。

试验前应清除阀体中的水和油脂，用符合试验要求的热电偶与阀门连接，

试验过程中监测阀体、阀盖的温度。低温试验冷却介质为液氮与酒精的混

合液或液氮，试验介质为氦气。