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石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)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(jì)要求和特殊結(jié)構(gòu)，在選用和安裝的過程中才不會(huì)出現(xiàn)問題。

　　低溫閥門，特別是溫閥門，其工作溫度極低。在設(shè)計(jì)這類閥門時(shí)，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則外，還有一些特殊的要求。其中液氫溫區(qū)用的低溫截止閥已達(dá)到DN250,液氧溫區(qū)已達(dá)DN200 (以上口徑是針對(duì)截止閥,球閥口徑已達(dá)到DN300)。在航天領(lǐng)域作為流體輸送及切斷用途而廣泛使用的閥門主要有截止閥和球閥。以下針對(duì)高真空多層低溫截止閥設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題進(jìn)行討論與分析。低溫截止閥主要是指介質(zhì)使用溫度在-196~-150度的低溫液態(tài)介質(zhì)系統(tǒng)中的截止閥，適用于低溫液體貯運(yùn)設(shè)備的管理系統(tǒng)，具有開關(guān)靈活、密封可靠的特點(diǎn)，也可用于其他低溫和深冷介質(zhì)的管理系統(tǒng)。
低溫截止閥主要用于液氧（液氮、液氬）等低溫液體貯運(yùn)設(shè)備的管理系統(tǒng)，具有開關(guān)靈活、密封可靠、耐壓等特點(diǎn), 超低溫長(zhǎng)軸截止閥適用液氧、液氮、液氬、液化天然氣、液態(tài)二氧化碳、乙烯、丙烯、丙烷等介質(zhì)。

石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)要求特點(diǎn)：
1、低溫截止閥閥桿和螺栓材料采用Ni、,Cr-Mo等合金鋼和，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚?，以提高抗拉?qiáng)度和防止螺紋咬傷等。
2、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，防止閥桿與填料相互擦傷，致使填料處泄漏。
3、為防止螺母與螺栓咬死，螺母一般采用Mo鋼或Ni鋼，同時(shí)在螺紋表面涂二硫化鉬。
4、低溫截止閥采用長(zhǎng)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(shí)要考慮填料的低溫特性，一般采用浸漬聚四氟乙烯的石棉填料。

　　1石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)要求的設(shè)計(jì)要求

　　低溫閥是一種在溫度等于或低于120 K的介質(zhì)中工作的閥門。低溫閥除了應(yīng)滿足一般閥門所具備性能之外,更主要的是在低溫狀態(tài)下保證密封面的封性能,動(dòng)作靈活,漏熱低等特點(diǎn),而其關(guān)鍵技術(shù)對(duì)漏熱的要求。因此根據(jù)絕熱方式的不同,其結(jié)構(gòu)要有堆積絕熱式、高真空絕熱、真空粉末絕熱和高空多層絕熱等多種形式。根據(jù)使用條件，低溫閥的設(shè)計(jì)有下列要求：

　　1.1 閥門不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源。這是因?yàn)闊崃康牧魅氤档蜔嵝释猓缌魅脒^多，還會(huì)使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險(xiǎn)。

　　1.2 低溫介質(zhì)不應(yīng)對(duì)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(wú)法潤(rùn)滑，所以需要采取結(jié)構(gòu)措施，以防止摩擦件擦傷。

　　2 石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)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(huì)出現(xiàn)低溫脆性，從而降低閥門的強(qiáng)度和使用壽命。選擇主體材料時(shí)首先要選用適合于低溫下工作的材料。

　　鋁在低溫下不會(huì)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(duì)延伸率及組織穩(wěn)定性；

　　3）在低溫及無(wú)油潤(rùn)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(shí)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(shí)選用鐵素體鋼；溫度低于-100℃時(shí)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(jì)時(shí)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(shí)，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?qiáng)度和防止螺紋咬傷等。溫度低于-100℃時(shí)，采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低，會(huì)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(shí)在螺紋表面涂二硫化鉬。

　　2.2 石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)要求低溫閥墊片、填料材料的選用

　　在低溫閥門設(shè)計(jì)中，一方面由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證使填料處于接近環(huán)境溫度下工作，例如，采用長(zhǎng)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(shí)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(wú)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(huì)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(shí)，采用長(zhǎng)纖維白石棉的石棉橡膠板。使用溫度為-200℃，*高使用壓力5MPa時(shí)，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 石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)要求低溫閥門的特殊結(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　化工低溫截止閥技術(shù)要求的材料
由于低溫閥工作介質(zhì)的低溫性質(zhì),使低溫閥門對(duì)材料有許多特殊要求。
3. 1 材料耐低溫性能
低溫閥不僅要求在低溫下保證正常工作,同時(shí)要保證其常溫的工作機(jī)械性能,也要滿足低溫下所需的機(jī)械性能,尤其是沖擊功和相對(duì)延伸率的要求。針對(duì)以上要求,為了防止材料在低溫下的低應(yīng)力脆斷,一般多采用奧氏體組織的材料,如:奧氏體不銹鋼鑄件、銅、銅合金、鋁及鋁合金等。這是因?yàn)榻?jīng)過對(duì)低應(yīng)力脆性斷裂特點(diǎn)研究,對(duì)金屬斷裂機(jī)理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),金屬的低溫韌性即缺口處的金屬微觀塑性變形能力是決定設(shè)備抵抗應(yīng)力脆斷破壞的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)表明,具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼基本上沒有這種溫度效應(yīng),即沒有低應(yīng)力脆斷。這是因?yàn)楫?dāng)溫度降低時(shí),面心立方金屬的屈服強(qiáng)度沒有顯著變化,而且不易產(chǎn)生形變孿晶,位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng),局部應(yīng)力易于松弛,裂紋不易傳播,一般沒有脆性轉(zhuǎn)變溫度。
3. 2　與低溫介質(zhì)的相容性
材料與低溫介質(zhì)的相容性就是要求材料本身不能與低溫介質(zhì)發(fā)生任何物理化學(xué)變化,不能引起腐蝕及爆炸。如在氧介質(zhì)中工作的材料,不允許使用玻璃鋼作為絕熱材料,也不允許使用活性碳作為吸氣劑,因?yàn)樗鼈兙芘c氧發(fā)生燃燒爆炸。
3. 3　具有相對(duì)低的導(dǎo)熱性,即熱導(dǎo)率相對(duì)低
低溫截止閥輸送的介質(zhì)溫度低,介質(zhì)成本高,而且介質(zhì)的突然汽化也會(huì)給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來極大危害。所以低溫截止閥對(duì)漏熱的要求較高。為了降低傳熱,在合理選擇絕熱的前提下,應(yīng)盡量采用熱導(dǎo)率相對(duì)低的材料,以降低低溫介質(zhì)的蒸發(fā)量。
3. 4　在低溫?zé)o油潤(rùn)滑的情況下,具有必需的硬度和耐磨性
閥門依靠閥桿的運(yùn)動(dòng)開啟和關(guān)閉,閥桿傳遞的作用力又使密封面達(dá)到一定的密封力。這就要求制作截止閥零部件的材料必須有一定的硬度和耐摩性。鋁和鋁合金在低溫截止閥中的使用有一定的限制,主要是因?yàn)橛捕炔粔?會(huì)導(dǎo)致密封表面比鋼和黃銅失效得更快。 目前使用較多的金屬材料有:不銹鋼、銅合金、鋁合金、鎳合金等;非金屬材料有:玻璃鋼、聚四氟乙烯、增強(qiáng)聚四氟乙烯、聚酰亞胺、石棉繩、橡膠等,其中玻璃鋼大多作為熱橋零件,而聚四氟乙烯、增強(qiáng)聚四氟乙烯、聚酰亞胺多作為密封面材料,石棉繩、橡膠、填料等多作為閥桿密封材料。

結(jié)構(gòu)比閘閥簡(jiǎn)單，制造與維修都較方便。
密封面不易磨損及擦傷，密封性好，啟閉時(shí)閥瓣與閥體密封面之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，因而磨損與擦傷均不嚴(yán)重，密封性能好，使用壽命長(zhǎng)。
啟閉時(shí)，閥瓣行程小，因而截止閥高度比閘閥小，但結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度比閘閥長(zhǎng)。
啟閉力矩大、啟閉較費(fèi)力，啟閉時(shí)間較長(zhǎng)。
流體阻力大，因閥體內(nèi)介質(zhì)通道較曲折，流體阻力大，動(dòng)力消耗大。
介質(zhì)流動(dòng)方向 公稱壓力PN≤16MPa時(shí)，一般采用順流，介質(zhì)從閥瓣下方向上流；公稱壓力PN≥20MPa時(shí)，一般采用逆流，介質(zhì)從閥瓣上方向下流．以增加密封件能。使用時(shí)，截止閥介質(zhì)只能單方向流動(dòng)，不能改變流動(dòng)方向。

石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)要求

　　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(huì)因溫度變化而產(chǎn)生變形。

　　3.2 閥蓋

　　采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)。其目的在于能起保護(hù)填料函的功能。因?yàn)樘盍虾拿芊庑允堑蜏亻y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?yàn)樵诘蜏貭顟B(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(shí)也會(huì)因閥桿上下移動(dòng)而將填料劃傷，引起嚴(yán)重泄漏。所以低溫閥門必須采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)，或當(dāng)?shù)蜏亓黧w直接接觸填料造成密封效果下降時(shí)，可以從填料函中間加入潤(rùn)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 中法蘭螺栓

　　3.9.1 螺栓應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，這是因?yàn)槁菟ㄔ诜磸?fù)載荷下工作，常會(huì)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(huì)殘留一些液體。隨著時(shí)間的增加，這些殘留在閥腔里的液體會(huì)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(shí)，會(huì)使閘板緊壓在閥座上，導(dǎo)致閘板不能開啟。這時(shí)，高壓會(huì)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(shí)，氣體可以通過小孔排出。這種方法比較簡(jiǎn)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(jì)時(shí)，應(yīng)有指示流體流向的箭頭；安裝時(shí)，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(shí)，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(shí)，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 石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)要求的安裝要求

　　了解了低溫閥的設(shè)計(jì)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(shí)，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(huì)殘留一些液體，液體氣化造成異常升壓，閘板無(wú)法開啟。而且低溫閥的閥桿較長(zhǎng)，安裝時(shí)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 石油化工低溫深冷截止閥設(shè)計(jì)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(gè)主要問題。低溫閥門在整個(gè)裝置中占有相當(dāng)比例且費(fèi)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。