1、前言

　　低溫閥門(mén)通常是指工作溫度在- 40℃以下的閥門(mén),隨著空分、液化天然氣、乙烯石化等工業(yè)的發(fā)展,近年來(lái),低溫閥門(mén)的市場(chǎng)需求逐年上升,應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。低溫閥門(mén)已成為閥門(mén)產(chǎn)品中的一個(gè)重要分支,而閥門(mén)的低溫試驗(yàn)裝置是低溫閥門(mén)生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備,完整的、符合要求的閥門(mén)低溫試驗(yàn)裝置不僅是低溫閥門(mén)生產(chǎn)和質(zhì)量控制的保證,同時(shí),也是低溫閥門(mén)生產(chǎn)能力的重要象征。

2、低溫閥門(mén)及其低溫試驗(yàn)裝置

2.1、低溫閥門(mén)

　　低溫閥門(mén)通常按其工作溫度分類, - 100 -40℃的稱為低溫閥門(mén), - 100℃以下的稱為超低溫閥門(mén),低溫閥門(mén)的工作溫度主要取決于其介質(zhì)溫度,表1列出了常見(jiàn)介質(zhì)的氣體液化溫度,從其中的分布溫度來(lái)看,低于- 100℃的工況環(huán)境,目前應(yīng)該受到高度重視。

表1　常用氣體的液化溫度( ℃)

　　低溫閥門(mén)的主要品種有:閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥等。低溫閥門(mén)一般都采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu),以保證填料函底部溫度保持在0℃以上,防止填料凍結(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮由于溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形和介質(zhì)異常升壓現(xiàn)象,以保證密封性能和強(qiáng)度安全為主要原則。低溫閥門(mén)材料選擇要依工作溫度而定,一般來(lái)說(shuō), - 100℃以上,主體材料采用低溫碳鋼, -100℃以下要選擇奧氏體不銹鋼。密封和緊固件也要依據(jù)工作溫度的不同,選擇合適的材料以保證有效的機(jī)械性能。

2.2、閥門(mén)低溫試驗(yàn)裝置

　　閥門(mén)低溫試驗(yàn)裝置主要用來(lái)進(jìn)行低溫閥門(mén)零部件深冷處理和閥門(mén)低溫型式試驗(yàn)。

　　有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,工作溫度低于- 100℃的低溫閥門(mén),其主要零部件在精加工前應(yīng)進(jìn)行深冷處理,目的是減少由于溫差和金相組織改變而產(chǎn)生的變形。低溫試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)在低溫工作環(huán)境下,低溫閥門(mén)的整機(jī)性能,這是一項(xiàng)要定期進(jìn)行的工作。目前,低溫環(huán)境主要是通過(guò)熱力循環(huán)或低溫介質(zhì)(通常是低溫液體吸收氣化潛熱)方式獲得,但- 100℃以下的深冷環(huán)境通常只能通過(guò)低溫液體浸漬法獲得, 由于液氮的溫度位合適( -196℃) 、來(lái)源廣泛、無(wú)污染、價(jià)格便宜而得到廣泛應(yīng)用。采用液氮作為冷媒介質(zhì)時(shí),可以通過(guò)加入一定比例的酒精來(lái)獲得不同的溫度位。

3、深冷處理與低溫試驗(yàn)

3.1、深冷處理

　　深冷處理工藝在閥門(mén)行業(yè)主要適用于工作度低于- 100℃的超低溫閥門(mén)零部件,在這個(gè)溫度段的用材主要以F304、F304L、F316 和F316L 等Cr - Ni奧氏體不銹鋼為主,這些材料都屬于亞穩(wěn)定型不銹鋼,在低溫下會(huì)發(fā)生向馬氏體的金相轉(zhuǎn)變,由于體心立方晶格的馬氏體比面心立方晶格的奧氏體具有更大的比容,低溫相變后會(huì)引起體積膨脹而導(dǎo)致零件變形。

　　此外,溫度降低還會(huì)造成金屬結(jié)構(gòu)的收縮,由于零件各部分收縮不均勻,就產(chǎn)生了溫度應(yīng)力,當(dāng)溫度應(yīng)力超出了材料的屈服極限時(shí),零件將產(chǎn)生不可逆的永久變形。

　　深冷處理可以使相變和變形充分發(fā)生,然后,通過(guò)精加工使零件保持組織和尺寸的相對(duì)穩(wěn)定。具體方法是:將零件浸放在液氮中,當(dāng)溫度達(dá)到-196℃時(shí)開(kāi)始保溫1～2h,然后取出,自然恢復(fù)到常溫,重復(fù)循環(huán)2次。有關(guān)研究資料表明,深冷處理還有強(qiáng)化材料機(jī)械性能的效果,鋼鐵材料在經(jīng)過(guò)深冷處理后,強(qiáng)度和硬度有所提高。主要是由于:

　　(1)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體,從而提高強(qiáng)度和硬度;

　　(2)從馬氏體中析出超細(xì)碳化物,從而彌散強(qiáng)化;

　　(3)組織細(xì)化,從而引起材料的強(qiáng)硬化。

　　并且認(rèn)為:二次深冷處理效果最佳,因?yàn)榈诙�次處理時(shí)材料仍能發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化,但是此后的多次處理就不再有明顯變化。

3.2、低溫試驗(yàn)

　　目前,閥門(mén)低溫試驗(yàn)所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)主要是:JB /T7794、BS 6364等。在低溫試驗(yàn)前,閥門(mén)應(yīng)進(jìn)行去油脂和干燥處理,因?yàn)橛椭�和水分在低溫環(huán)境下會(huì)變成堅(jiān)硬的固態(tài)物質(zhì),造成閥內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷。將閥門(mén)和試驗(yàn)裝置連接好以后,在常溫和最大工作壓力下,使用氦氣做初始檢測(cè)試驗(yàn),確保各部位連接的緊密性。在閥門(mén)降溫的過(guò)程中要保持閥內(nèi)始終有氦氣流通,以帶走降溫過(guò)程中可能形成的濕氣。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程要在低溫試驗(yàn)槽內(nèi)完成,閥門(mén)整體浸入液氮或液氮與酒精的混合液中,液面高度應(yīng)達(dá)到閥蓋頸部位置。當(dāng)各部位溫度達(dá)到規(guī)定的要求時(shí),即可開(kāi)始試驗(yàn)。低溫試驗(yàn)的內(nèi)容主要是按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,檢測(cè)閥門(mén)在低溫狀態(tài)下的密封和操作性能,其間還要做若干次的開(kāi)關(guān)操作,一定要注意人員的安全防護(hù),要注意工作環(huán)境的通風(fēng)和低溫區(qū)域的警示、隔離。要重視對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后工作場(chǎng)所的善后防護(hù)。

4、閥門(mén)深冷試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

　　所討論的低溫閥門(mén)深冷試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案基于現(xiàn)代測(cè)控技術(shù),考慮了目前主要的低溫閥門(mén)產(chǎn)品分布。方案的提出有實(shí)際的工程應(yīng)用基礎(chǔ)。

4.1、低溫系統(tǒng)

　　低溫系統(tǒng)由低溫儲(chǔ)罐、低溫試驗(yàn)槽、真空連接管道,低溫控制閥等組成,如圖1所示。

圖1　低溫系統(tǒng)

　　低溫試驗(yàn)槽的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的重點(diǎn),試驗(yàn)槽的尺寸要依據(jù)產(chǎn)品規(guī)格合理配置,以公稱通徑24 in (600mm) 、公稱壓力600磅的閘閥為例,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度1407mm,法蘭外徑1000mm,底部至閥蓋殼體約1600mm。閥體兩端安裝墊環(huán)、盲板、螺栓螺母等長(zhǎng)度約為1760mm,加上余量,內(nèi)膽尺寸為2000mm,寬1600mm, 高度加墊塊、固定板后約1800mm、液面至槽口安全高度約200mm。低溫槽外形尺寸(長(zhǎng)、寬、高、保溫層厚度)為2500mm、2100mm、2000mm、250mm。箱體承重可達(dá)2.5 t/m2 (設(shè)起吊環(huán)) 。內(nèi)腔側(cè)板采用5mm304板,底板為7mm304,底座框架,外板為2mm304板。內(nèi)外腔充填A(yù)、B 雙組分聚合物高保溫材料。箱體和箱蓋總重量為2.5～2.8 t。表2為不同規(guī)格的試驗(yàn)槽設(shè)計(jì)尺寸。

表2　試驗(yàn)槽要求