低溫閥門深冷試驗裝置的設計

1　前言
        低溫閥門通常是指工作溫度在-40℃以下的閥門，隨著空分、液化天然氣、乙烯石化等工業的發展，近年來，低溫閥門的市場需求逐年上升，應用領域也越來越廣泛。低溫閥門已成為閥門產品中的一個重要分支，而閥門的低溫試驗裝置是低溫閥門生產過程中不可或缺的關鍵設備，完整的、符合要求的閥門低溫試驗裝置不僅是低溫閥門生產和質量控制的保證，同時，也是低溫閥門生產能力的重要象征。
        2　低溫閥門及其低溫試驗裝置
        2.1　低溫閥門
        低溫閥門通常按其工作溫度分類，-100-40℃的稱為低溫閥門，-100℃以下的稱為超低溫閥門，低溫閥門的工作溫度主要取決于其介質溫度，表1列出了常見介質的氣體液化溫度，從其中的分布溫度來看，低于-100℃的工況環境，目前應該受到高度重視。

表1　常用氣體的液化溫度 （℃）

        低溫閥門的主要品種有：閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥等。低溫閥門一般都采用長頸閥蓋結構，以保證填料函底部溫度保持在0℃以上，防止填料凍結。結構設計時應考慮由于溫度變化引起的結構變形和介質異常升壓現象，以保證密封性能和強度安全為主要原則。低溫閥門材料選擇要依工作溫度而定，一般來說，-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工作溫度的不同，選擇合適的材料以保證有效的機械性能。
        2.2　閥門低溫試驗裝置
        閥門低溫試驗裝置主要用來進行低溫閥門零部件深冷處理和閥門低溫型式試驗。
        有關標準規定，工作溫度低于-100℃的低溫閥門，其主要零部件在精加工前應進行深冷處理，目的是減少由于溫差和金相組織改變而產生的變形。低溫試驗主要是檢驗在低溫工作環境下，低溫閥門的整機性能，這是一項要定期進行的工作。
        目前，低溫環境主要是通過熱力循環或低溫介質（通常是低溫液體吸收氣化潛熱）方式獲得，但-100℃以下的深冷環境通常只能通過低溫液體浸漬法獲得，由于液氮的溫度位合適（-196℃）、來源廣泛、無污染、價格便宜而得到廣泛應用。采用液氮作為冷媒介質時，可以通過加入一定比例的酒精來獲得不同的溫度位。
        3　深冷處理與低溫試驗
        3.1　深冷處理
        深冷處理工藝在閥門行業主要適用于工作溫度低于-100℃的超低溫閥門零部件，在這個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定型不銹鋼，在低溫下會發生向馬氏體的金相轉變，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，低溫相變后會引起體積膨脹而導致零件變形。
   此外，溫度降低還會造成金屬結構的收縮，由于零件各部分收縮不均勻，就產生了溫度應力，當溫度應力超出了材料的屈服極限時，零件將產生不可逆的永久變形。深冷處理可以使相變和變形充分發生，然后，通過精加工使零件保持組織和尺寸的相對穩定。具體方法是：將零件浸放在液氮中，當溫度達到-196℃時開始保溫1～2h，然后取出，自然恢復到常溫，重復循環2次。有關研究資料表明，深冷處理還有強化材料機械性能的效果，鋼鐵材料在經過深冷處理后，強度和硬度有所提高。主要是由于：（1）殘余奧氏體轉變為馬氏體，從而提高強度和硬度；（2）從馬氏體中析出超細碳化物，從而彌散強化；（3）組織細化，從而引起材料的強硬化。并且認為：二次深冷處理效果*佳，因為第二次處理時材料仍能發生結構上的變化，但是此后的多次處理就不再有明顯變化 。
        3.2　低溫試驗
        目前，閥門低溫試驗所執行的標準主要是：JB/T7794、BS6364等。在低溫試驗前，閥門應進行去油脂和干燥處理，因為油脂和水分在低溫環境下會變成堅硬的固態物質，造成閥內結構損傷。將閥門和試驗裝置連接好以后，在常溫和*大工作壓力下，使用氦氣做初始檢測試驗，確保各部位連接的緊密性。在閥門降溫的過程中要保持閥內始終有氦氣流通，以帶走降溫過程中可能形成的濕氣。整個試驗過程要在低溫試驗槽內完成，閥門整體浸入液氮或液氮與酒精的混合液中，液面高度應達到閥蓋頸部位置。當各部位溫度達到規定的要求時，即可開始試驗。低溫試驗的內容主要是按有關標準要求，檢測閥門在低溫狀態下的密封和操作性能，其間還要做若干次的開關操作，一定要注意人員的安全防護，要注意工作環境的通風和低溫區域的警示、隔離。要重視對試驗結束后工作場所的善后防護。
        4　閥門深冷試驗裝置設計
        所討論的低溫閥門深冷試驗裝置設計方案基于現代測控技術，考慮了目前主要的低溫閥門產品分布。方案的提出有實際的工程應用基礎。
        4.1　低溫系統
        低溫系統由低溫儲罐、低溫試驗槽、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

        低溫試驗槽的設計是本系統的重點，試驗槽的尺寸要依據產品規格合理配置，以公稱通徑24in（600mm）、公稱壓力600磅的閘閥為例，結構長度1407mm，法蘭外徑1000mm，底部至閥蓋殼體約1600mm。閥體兩端安裝墊環、盲板、螺栓螺母等長度約為1760mm，加上余量，內膽尺寸為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、寬、高、保溫層厚度）為2500mm、2100mm、2000mm、250mm。箱體承重可達2.5t/m2（設起吊環）。內腔側板采用5mm304板，底板為7mm304，底座框架，外板為2mm304板。內外腔充填A、B雙組分聚合物高保溫材料。箱體和箱蓋總重量為2.5～2.8t。表2為不同規格的試驗槽設計尺寸。

表2　試驗槽要求

        低溫試驗槽應設計成敞口雙層結構，以方便試件吊裝，但要配有保溫上蓋，內膽要有足夠的壁厚以承受可能產生的吊裝沖擊，底部要設置固定結構，防止試驗中閥門的整體轉動。內、外壁間填充高保溫聚合物發泡材料，形成中間“絕熱層”，內、外壁之間的傳熱方式主要是“熱傳導”，因此，其間的加強筋要設置“傳熱斷橋”，防止隨筋板產生的“熱傳導”，隔熱筋板結構如圖2所示。

圖2　隔熱筋板結構

        試驗槽半埋入地，以方便操作，利于保溫，提高安全性。低溫儲罐與試驗槽間及各試驗槽間以真空管道相連，以方便補液和合理利用殘液。管道設計要結合現場情況，合理安排切換閥組并加裝安全閥。
        4.2　壓力管路系統設置
        壓力管路系統的目的是為了滿足在低溫狀態下的閥門性能試驗。壓力管路系統如圖3所示。

圖3　壓力管路系統

        壓力管路系統由蛇形壓力管（DN6～10）、針型閥、氣體增壓泵、控制管網、承壓盲板等組成，主要測試內容是閥門密封及低溫操作性能，深冷狀態下的試驗介質以氦氣為宜（氣態氮氣回到高壓深冷環境后會產生二次液化）。出于經濟上的考慮，對于大通徑、高壓力閥門的低溫試驗，應考慮貴重試驗介質的重復使用，氣體增壓泵前后要設計正、反向切換回路，便于貴重試驗介質回收，氦氣可回收增壓回路如圖4所示。出于安全上的考慮，控制閥組盡可能引入操作控制室，避免長時間的現場操作。
        4.3　測控系統
        測試及數據采集系統由上位機、壓電變送器、軟式鎧裝鉑電阻、高精度流量計、智能顯示儀、積算儀、針形閥、酒精計泡器、氦質譜檢漏儀以及采集電路等組成，如圖5所示。測量參數包括：冷媒溫度，閥體、閥蓋、閥桿、填料、密封件溫度，介質壓力，泄漏量等。所選測試儀器應能適應-196℃以下工作環境。參數測量采用現場二次儀表與計算機遠傳采集相結合。壓力參數經壓力變送器傳送入智能數字顯示儀，流量參數經流量計（精度≤0.01mL/s）傳送入智能流量積算儀，溫度參數經PT100鉑電阻變送器傳送入智能數字顯示儀，各儀表實時顯示待監控參數，并將各參數通過RS232/485傳輸入上位機，供上位機監控分析軟件計算分析數據。壓力管路控制閥門及電氣控制開關引入控制室，實時數據顯示、現場打印、遠程監測。

圖4　氦氣可回收增壓回路

圖5　測控系統

        上位機（工控機）：負責接收智能數字顯示儀和智能流量積算儀傳送的信號，通過組態實現試驗監控，并判斷結果，形成試驗參數曲線及報告。
        5　結語
        深冷處理和低溫試驗是低溫閥門生產過程中的重要環節，而合格的低溫試驗裝置是這項工作正常進行所必須的設備保證。
        低溫試驗裝置的建設要考慮：試驗標準規范的適應，操作流程的合理，測量參數的準確，工作場所的安全，以及冷媒、試驗介質的消耗和綜合利用等。