超低温深冷球阀设计选型分析

超低温深冷球阀设计选型分析

为适用深冷低温工况需求应用高科技低温处理技术对球阀进行整体低温处理。本阀一般采用法兰连接,也可采用焊接连接。采用驱动方式为手轮、蜗轮蜗杆传动、气动或电动。适用于输出液态低温介质如乙烯、液氧、液氢、液化天然气、液化石油产品等低温介质。具有开关灵活、密封可靠的特点,也可用于其他低温和深冷介质的管理系统。低温球阀的工作介质大部分为易燃、易爆、渗透性强的物质，工作温度可达-269℃，*高使用压力达10MPa，工作的条件都是比较苛刻的。因此，低温阀门的设计、制造、检验与常温阀门相比有很大的区别。

低温阀门是指能够在低温工况下使用的阀门，通常把工作温度低于-40℃的阀门称为低温阀门。低温球阀是石油化工、空气分离、天然气等工业的重要设备之一，其质量的优劣决定着能否安全、经济、持续地生产。随着现代科技的发展，低温阀门的用途越来越广，需求也越来越大。从材料上看，例如低温球阀有CF8、LCB、LF1、F304等十多种，可以适用于不同的温度和介质，且都制定了相关标准，不仅规定了铸锻件的尺寸和外观质量要求，还对铸锻件的化学成分、热处理、力学性能、物理性能、焊补、焊后热处理、探伤、晶间腐蚀试验（奥氏体钢）、冲击试验（低温阀门）等做了严格的技术要求。

低温球阀的制造标准和要求，低温球阀具有与普通球阀不同的特征：

1超低温深冷球阀设计选型分析低温阀门的一般设计要求

（1）阀门及其组合件在低温介质及周围环境温度下应具有长时间工作的能力（一般为10年或是3500~5000次循环）；

（2）球阀相对于低温介质，不应成为一个显著热源，这是因为热量的流入会降低热效率，而且热量流入过多，还可能使阀门内部的低温介质汽化，产生异常升压，造成危险；

（3）低温介质不应对手轮的操作性能和填料的密封性能产生有害影响；

（4）直接和低温介质接触的阀门组合件的结构应当符合相关的防爆和防火要求；

（5）在低温状态下工作的阀门组合件不能润滑，所以需要采取措施，防止摩擦部件被擦伤。

上述要求应当贯穿低温阀门设计过程的始终，另外应当注意到上述要求是对低温阀门特有的要求，在低温阀门的设计过程中还应当同时遵守相关的通用阀门的要求。

2超低温深冷球阀设计选型分析低温阀门的冷却性能

低温阀门的冷却性能是指低温球阀从常温冷却到工作温度的能力。这一性能可以利用阀门在上述过程中所消耗的能量，即在上述过程中阀门传给低温介质的热量Q2来衡量。对于周期性工作的低温阀门来说冷却性能指标有着极其重要的意义。但仅仅用Q2来衡量低温球阀冷却性能是不够的，可采用如下指标：

  低温球阀适用于的各种管路上，用于截断或接通管路中的介质，选用不同材质，可分别适用于不同的温度和介质，工作温度为-196℃。低温球阀的驱动方式为手动、蜗轮蜗杆传动、气动或电动。低温球阀一般采用法兰,焊接,螺纹连接。

   低温球阀分为低温浮动球阀和低温固定球阀两类,对于温度高于-50℃,一般不采用长颈结构,对于温度低于-50℃的球阀,颈部长度T一般为250mm,产品主要用于输出液态低温介质如空分设备、LNG、乙希、液氧、液氢、液化天然气、液化石油、二氧化碳低温贮槽及槽车、变压吸附制氧等装置上。产品等。

低温球阀,超低温球阀结构特点：
1、本阀门为全通径浮动球阀、结构紧凑、造型美观、流阻系数小。
2、密封面采用氟塑料，密封副材料配对合理，使用寿命长。
3、球体与四氟阀座为紧密封结合，具备零泄漏功能，并能利用其塑性变形自动补偿因磨损带来的误差，达到密封性能好，使用寿命长的目的。为了保证阀杆处的密封，在阀体上增设了填料函和压盖进行密封。
4、可选用各种配管法兰标准及法兰密封面型式，还可选用手动、蜗轮传动、电动、气动、液动等各种驱动方式，满足用户不同需求。

对低温球阀的主要零部件作低温处理并每批抽样作低温冲击试验，以保证阀门在低温工况时不脆裂，经得起低温介质冲击。
对每台阀门进行以下试验：
1.常温壳体强度试验；
2.常温低压上密封试验；
3.常温低压密封试验；
4.低温上密封气密试验（有上密封时）；
5.低温气密封试验等，以确保整台低温阀门符合标准的规定；
6.对主要零部件作低温处理并每批抽样作低温冲击试验，以保证阀门在低温工况时不脆裂，经得起低温介质冲击；
7.低温（深冷 ）阀门均按相应材料规范进行低温处理和冲击试验
8.搞静电功能更加强大，阀体与阀杆或内件与阀体间导通电阻小于1欧姆。

3.1超低温深冷球阀设计选型分析阀体、阀盖、阀座、启闭件等的材料选择

温度高于-100℃时可选用铁素体不锈钢，温度低于-100℃时选用奥氏体不锈钢，低压和小口径阀门可选用铜合金或铝合金。

3.2阀杆材料选择

采用奥氏体不锈耐酸钢制造，需经过适当的热处理，以提高抗拉强度，同时必须镀硬铬（镀层厚度0.04~0.06mm），或进行渗氮处理，以提高表面硬度。

3.3紧固件材料选择

温度高于-100℃时，螺栓材料采用Ni、Cr-Mo等合金钢，需经适当的热处理，以防止螺纹咬伤；温度低子-100℃时，螺栓材料可采用奥氏体不锈钢。螺母材料一般采用Mo钢或Ni钢，同时螺纹表而涂二硫化钥。

3.4垫片材抖选择

使用温度高于-196℃，低温*高使用压力为3MPa时，可采用长纤维自石棉制成的石棉橡胶板；使用温度高于-196℃，低温*高使用压力为5MPa时，可采用不锈钢带石棉缠绕式垫片、不锈钢带聚四氟乙烯缠绕式垫片或不锈钢带膨胀石墨缠绕式垫片。这里需强调一下，所有低温材料部件在精加工之前必须进行深冷处理，以减小低温阀门在低温工况下的收缩变形。

超低温深冷球阀设计选型分析技术规范

超低温深冷球阀设计选型分析材料及主要参数

低温球阀主要零部件材料：

4超低温深冷球阀设计选型分析低温阀门结构设计

低温阀门的结构与通用阀门存在一定差异，在低温阀门的结构设计过程中，除了要考虑阀门结构的一般性要求外，还需要重点解决以下一些问题：

（1）低温阀门关闭后，残留在阀体中的低温介质因温度升高而迅速气化，造成阀体内部异常升压的问题；（2）低温对填料函密封性能的不利影响；

（3）零部件冷变形对阀门的有害影响；

（4）低温介质对零部件的防爆要求等。

还应当注意到低温球阀除了在低温介质下工作外，同样要在周围环境温度下工作，即在20℃左右的温度下工作，在设计阀门元件时，特别在设计启闭密封件时必须考虑到这点。

根据工作现场的实际需要，对低温阀门的结构设计提出以下基木要求：

（1）阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩，且阀座部分的结构不会因温度变化而产生永久变形；

（2）采用能保护填料函的长颈阀盖结构；

（3）采用无论温度如何变化均能保持可靠密封的阀瓣，例如闸阀采用弹性闸板和开式闸板、截止阀采用锥形阀瓣等，

（4）采用上密封结构；

（5）采用钻铬钨硬质合金堆焊结构的阀座、阀瓣密封面；

（6）采用泄压孔防止异常升压，泄压孔开设位置视阀门结构而定，可以设在阀体上，也可以设在闸板上。

4.1低温球阀阀体的设计

阀体是阀门的主要受压部件，必须有一定的强度才能保证阀门的正常工作。在低温工况下，阀体所承受的低温应力、膨胀和收缩附加应力都很大，要保持阀门密封副不发生变形，阀体必须有一定的刚度。同时，要防止低温应力集中产生的破坏，应尽量避免在阀体中出现尖角、凹槽等。

4.2低温阀门长颈阀盖的设计

低温阀门需要采用长颈阀盖结构，其日的是减少外界传入装置中的热量；保证填料箱部位的温度在0℃以上，使填料可以正常工作；防止因填料函部分过冷而使处在填料函部位的阀杆以及阀盖上部的零件结霜或冻结。

长颈阀盖的设计主要是颈部长度L的设计，L指的是填料函底部到上密封座上表面的距离，它和材料的导热系数、导热面积及表面散热系数、散热面积等因素有关，计算比较繁琐，一般由实验法求得。通常情况下，可以按来确定。在工业应用中，可以根据现场实际情况（如保温、操作空间、位置等）的需要，适当的加长颈部尺寸。

4.3泄压部件的设计

异常升压的问题一般只存在于低温闸阀中。当闸阀闸板关闭后，残留在阀体中腔的低温介质从周围环境中大量吸收热量，迅速汽化，在阀体内产生很高的压强。异常升压的危害很大，它可能将闸板紧紧地压在阀座上，导致闸板卡死，使阀门不能正常工作，也可能冲坏填料和法兰垫片，甚至引起阀体爆炸。因此必须采取措施加以避免。

常用的措施是设计泄压孔和设置旁路系统。对小口径阀门（DN≤300mm）可以直接在闸板靠近高压侧（即进口端）设计一个泄压孔，对于大口径阀门则需增加旁路系统。对于增加了泄压孔或旁路系统的低温阀门必须标明介质流向。

4.4上密封装置的设计

在阀门全开时，阻止工作介质向填料函处泄漏的一种装置称为L密封装置。

上密封装置有两个作用。上密封装置可以减小工作介质对填料的损坏。工业阀门在绝大多数工作时间处于开启状态，如无上密封装置，则介质压力直接作用于填料。填料长期处于受压状态，易老化。第二，当填料处有泄漏时，全开阀门，使上密封装置处于工作状态，就可以带压进行填料更换。因此，对于闸阀和截止阀都规定要有上密封装置。

上密封面可用在阀盖上堆焊钻铬钨硬质合金，然后精加工、研磨而成的工艺制得（对于奥氏体不锈钢材料的阀盖，可直接在阀盖上加工上密封面），也可在专门的上密封座上研磨而成。

总之，在低温阀门的设计过程中要综合考虑低温对阀门的各种影响，采用合理的结构，避免低温对阀门正常工作的不良影响。

5超低温深冷球阀设计选型分析低温阀门的检验

低温阀门除了要做常温检验外，还必须做低温试验。

常温检验主要包括壳体水压强度试验，水压、气压密封试验，上密封试验，以及启闭和扭矩试验等。

低温试验的主要目的是检验低温阀门在低温状态下的操作性能和密封性能。操作性能要求阀门启闭灵活，移动件和密封副不得发生擦伤和咬死。密封性能要求阀门密封面泄漏量小于允许泄漏量。

总之，低温球阀要求经过低温深冷处理的不锈钢作为阀门材质，必须加长杆处理，能耐用于-196℃的LNG，液氮，液氧，液化天然气介质的场合。