超低溫深冷閥門材料設計

【資料簡介】

超低溫深冷閥門材料設計低溫閥門，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。截止閥的啟閉件是塞形的閥瓣，密封面呈平面或錐面，閥瓣沿流體的中心線作直線運動。閥桿的運動形式，有升降桿式（閥桿升降，手輪不升降），也有升降旋轉桿式（手輪與閥桿一起旋轉升降，螺母設在閥體上）。截止閥只適用于全開和全關，不允許作調節和節流。適用溫度：-45~-197     適用介質：液氨  柔性石墨填料使用溫度范圍為200~870℃。

一、超低溫深冷閥門材料設計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）閥門在低溫介質及周圍環境溫度下應具有長時間工作的能力。
2）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。
3）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。
4）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。
5）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。

二、超低溫深冷閥門材料設計的材料選用
1、低溫閥主體材料
（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門中選用。
在低溫工作的材料要保證其低溫性能，主要是保證其冷沖擊強度。閥內件必須通過正確選材，使其具有足夠的冷沖擊強度，才能防止斷裂。C和Cr的合金鋼在低于－20℃時候很快失去抗沖擊強度，所以使用溫度分別限制在-30℃和-50℃。含Ni量為3.5%的鎳鋼可以使用到-100℃，含Ni量9%的鎳鋼可以使用到-192℃。奧氏體不銹鋼、鎳、蒙乃爾合金、哈氏合金、鈦、鋁合金及青銅可以使用到更低的溫度（-273℃）。

超低溫深冷閥門材料設計閥體

a.由于低溫截止閥的流道內表面會有靜電荷聚集，所以對內表面加工要求非常嚴格，傳統制造工藝在低溫閥門設計、加工上沒有充分考慮流量問題所產生的靜電荷聚集。我公司的產品*是根據日本共榮公司的圖紙加工制造，在制造過程中對流道內表面精度、內表面光滑要求十分嚴格，根據日本共榮公司的圖紙主密封形式為線密封結構，通過核心技術設計、制造工藝可以避免靜電荷聚集，并采用硅溶膠精密鑄造，提高閥體的外觀質量。并在精鑄時增加了鑄造閥體的澆口及補疏，合理分配了閥體的各部位壁厚，國內傳統制造工藝的低溫閥門生產廠家的閥門壁厚和重量明顯少于我公司產品；

b.閥門材質采用全不銹鋼，降低了傳熱系數，閥體與閥桿采用法蘭連接，避免不銹鋼絲扣連接螺紋咬死的現象，方便了工程的安裝、預冷、保溫以及零部件的更換。
密封材料——為了避免閥桿外結霜過高和凍死的問題，國內其他廠家密封產生泄漏的主要原因是選用關鍵的主密封材料為可溶性聚四氟乙烯，遇低溫受壓后產生塑性變形大而導致泄漏后閥體內的低溫液體會漸漸滲入連接管內，使閥桿外結霜高度不斷增高，導致閥門凍死不能正常開啟,而我司產品主要密封材料為聚三氟氯乙烯，此材料從我公司生產閥門以來一直從國外進口，聚三氟氯乙烯的主要特性為耐低溫性，即低溫下還可以保持良好的塑性，即使在低溫介質中工作還能保持良好的材料塑性，其使用壽命可達到正常啟閉1萬次。

壓力檢驗與氣密性試驗——低溫閥門：出廠前每只閥門必須經過壓力檢驗與氣密性試驗，低溫閥門的公稱壓力一般從2.0MPa—4.0MPa不等，根據國標試壓的時候必須高于設計壓力的1.5倍。我公司4.0MPa閥門的試壓一般都打到7.5MPa遠遠高于國內標準；氣密性試驗：使用的介質為氦氣，因為氦氣的穿透力比其他氣體強，若經氦氣試驗合格的閥門使用在液氧、液氮、液氬、LNG介質上能達到更好的使用效果。

清洗——低溫閥門系列產品在進行精加工后、零部件和成品出廠前全部采用全自動超聲波清洗，分清洗、漂洗、蒸浴烘干三個階段，有效的去除了閥門表面沾染的油污等各類污染物，清洗后其潔凈程度可達到氧氣級管道使用。
閥門的表面處理——閥門的外表面進行噴砂處理，所噴介質為玻璃砂，可防止閥門外表面結霜后產生銹斑。
手輪——通過波浪形外觀設計并取得，使得手輪整體看上去更美觀，使用時手感更好。在保證關閉的基礎上又不至于因關閉力距過大導致對閥門密封墊片的性能產生損傷。

超低溫深冷閥門材料設計除此以外，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，具有良好的耐摩性；
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）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。設計時根據低使用溫度選擇適當的材料。

（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、超低溫深冷閥門材料設計低溫閥墊片、填料材料的選用
隨著溫度降低，氟塑料收縮量很大，會使密封性能下降，容易引起泄漏。石棉填料無法避免滲透性泄漏。橡膠對液化天然氣有泡脹性，在低溫下不可采用。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。這種材料對氣體、液體均不滲透，在厚度方向有10%-15%的彈性，較低的緊固壓力就可達到密封。它還有自潤滑性，用作閥門填料可以防止填料與閥桿的磨損。低溫閥門是指能夠在低溫≤－196o 工況下使用的閥門,通常把工作溫度低于-40℃的閥門稱為低溫閥門.低溫閥門是石油化工、空氣分離、天然氣等工業*的重要設備之一,其質量的優劣決定著使用企業能否安全、經濟、持續地生產。低溫閥門的主要特點是所有零部件的材料必須經過深冷處理。