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石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求

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(shù)。為滿足這一要求，低溫閥門被廣泛應(yīng)用，只有了解低溫閥的設(shè)計要求和特殊結(jié)構(gòu)，在選用和安裝的過程中才不會出現(xiàn)問題。低溫閥門通常是指工作溫度在-40℃以下的閥門。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(shè)備，石油化工尾氣分離設(shè)備，液氧、液氫、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。

近年來，低溫閥門的市場需求逐年上升，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，低溫閥門已成為閥門產(chǎn)品中的一個重要分支 。低溫閥門通常按其工作溫度分類，-100℃~-40℃之間的稱為低溫閥門，-100℃以下的稱為超低溫閥門（或深冷閥門），低溫低溫閥門，特別是溫閥門，其工作溫度極低。在設(shè)計這類閥門時，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計原則外，還有一些特殊的要求。

　　1 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的設(shè)計要求

　　根據(jù)使用條件，低溫閥的設(shè)計有下列要求：

　　1.1 閥門不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)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(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險。

　　1.2 低溫介質(zhì)不應(yīng)對手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。

　　1.3 直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門組合件應(yīng)具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。

　　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(jié)構(gòu)措施，以防止摩擦件擦傷。

產(chǎn)品特點

與介質(zhì)接觸的閥門零件在精加工前均按規(guī)范的要求進(jìn)行嚴(yán)格的低溫處理，保證閥門零件能充分承受溫度變化而引起的膨脹、收縮，且閥座部分的結(jié)構(gòu)不會因溫度變化而產(chǎn)生變形；

采用能保護(hù)填料函的長頸閥蓋結(jié)構(gòu)；

采用無論溫度如何變化均能保持可靠密封的閥瓣，閥瓣采用錐形閥瓣；

采用上密封座堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金結(jié)構(gòu)，避免不銹鋼材料相互咬死；

采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)的閥座、閥瓣密封面；

介質(zhì)流向為低進(jìn)高出（從閥瓣下端流入）；

閥桿表面滲氮硬化處理，防止閥門啟閉過程中的表面擦傷影響密封性能；

填料可按用戶要求選用低泄漏填料，確保閥門填料處的泄漏滿足環(huán)保要求；

可按用戶要求提供焊接袖管；

可按用戶要求提供絕緣板（滴水板）。

可按用戶要求采用低泄漏設(shè)計，詳細(xì)技術(shù)規(guī)格請參閱低泄漏樣本。

　　2 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的材料選用

　　2.1 低溫閥主體材料

　　2.1.1 主體材料選用應(yīng)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(tài)下會出現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(xué)性能，特別是沖擊韌性、相對延伸率及組織穩(wěn)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(shè)計時根據(jù)*低使用溫度選擇適當(dāng)?shù)牟牧稀?/p>

　　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(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，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(jìn)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(shè)計中，一方面由結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證使填料處于接近環(huán)境溫度下工作，例如，采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，使填料函離低溫介質(zhì)盡量遠(yuǎn)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(fā)展起來的一種優(yōu)良的密封材料。低溫閥門也可采用無填料的波紋管密封結(jié)構(gòu)，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(fù)原性。由于墊片材料在低溫下會硬化和降低塑性，所以應(yīng)選擇性能變化小的墊片材料。使用溫度為-200℃，低溫*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℃，*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 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的特殊結(jié)構(gòu)

　　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(jié)構(gòu)與一般閥門大致相同。

　　3.1 閥體

　　閥體應(yīng)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(jié)構(gòu)不會因溫度變化而產(chǎn)生變形。

　　3.2 閥蓋

　　采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)。其目的在于能起保護(hù)填料函的功能。因為填料函的密封性是低溫閥的關(guān)鍵之一。該處如有泄漏。將降低保冷效果，導(dǎo)致液化氣體氣化。這是因為在低溫狀態(tài)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(zhì)滲漏造成填料與閥桿處結(jié)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(yán)重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長頸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(yù)緊力、緊固壓力分布以及應(yīng)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(shè)在長頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠(yuǎn)的位置，在0℃以上的溫度環(huán)境下工作。這樣，提高了填料函的密封效果。在泄漏時，或當(dāng)?shù)蜏亓黧w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(huán)的二段填料結(jié)構(gòu)。但也有的采用一般閥門填料函結(jié)構(gòu)和閥桿能自緊的二重填料函結(jié)構(gòu)等其他型式。

　　3.7 上密封

　　低溫閥都設(shè)上密封座結(jié)構(gòu)，上密封面要堆焊鈷鉻鎢硬質(zhì)合金，精加工后研磨。

　　3.8 閥座、閥瓣（閘板）密封面

　　低溫閥的關(guān)閉件采用鈷鉻鎢硬質(zhì)合金堆焊結(jié)構(gòu)。軟密封結(jié)構(gòu)由于聚四氟乙烯膨脹系數(shù)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 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求中法蘭螺栓

　　3.9.1 螺栓應(yīng)有足夠的強度，這是因為螺栓在反復(fù)載荷下工作，常會因疲勞而產(chǎn)生斷裂。

　　3.9.2 因螺栓在螺紋根部易引起應(yīng)力集中，所以*好采用全螺紋結(jié)構(gòu)的螺栓。

　　3.10 預(yù)防異常升壓的措施

　　閥門關(guān)閉后，閥腔內(nèi)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(chǎn)生的壓力，并作用于閥體內(nèi)部。這種情況稱為異常升壓，這是低溫閥門*的現(xiàn)象。發(fā)生異常升壓現(xiàn)象時，會使閘板緊壓在閥座上，導(dǎo)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(yán)重事故。為防止異常升壓現(xiàn)象發(fā)生，一般低溫閥門在結(jié)構(gòu)上采用以下措施：

　　3.10.1 設(shè)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(jìn)口側(cè)鉆一小孔，作為閥體內(nèi)腔和進(jìn)口側(cè)的壓力平衡孔。當(dāng)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(shè)計時，應(yīng)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(zhì)進(jìn)口的一側(cè)，泄壓孔開設(shè)在閘板上時，更要注意。泄壓孔開設(shè)的位置視閥門結(jié)構(gòu)而定，有的在閥體上；有的在閘板上。

　　3.10.2 在閥門上設(shè)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(dāng)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(nèi)的殘液排盡，以預(yù)防異常升壓的發(fā)生。

　　4 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的安裝要求

　　了解了低溫閥的設(shè)計要求及特殊結(jié)構(gòu)，在具體的安裝過程中要遵循如下原則：

　　4.1 當(dāng)流體是液體時，低溫閥的閥桿應(yīng)向上安裝，防止閥門關(guān)閉后，閥腔內(nèi)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(yīng)引起重視。

　　4.2 有泄壓孔的低溫閘閥，應(yīng)在閥體上標(biāo)記泄壓孔方向，并注意標(biāo)記不應(yīng)被保冷層覆蓋。見圖1。

　　5 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求結(jié)論

　　隨著石油化工裝置越來越大型化，如何降低能耗，節(jié)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(dāng)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(guān)重要。