設(shè)計溫度低于100℃的調(diào)節(jié)閥為超低溫調(diào)節(jié)閥，零下100℃的介質(zhì)具有特殊性，對調(diào)節(jié)閥的影響是持續(xù)的，所以在設(shè)計與試驗中，除了考慮閥門的常規(guī)設(shè)計與制造，還應(yīng)考慮在-100℃下材料的性能。本文主要介紹了調(diào)節(jié)閥在超低溫環(huán)境下如何保證良好的密封；超低溫環(huán)境下泄漏量的計算方法。

      1 引言

      對于調(diào)節(jié)閥來說，密封是設(shè)計需要考慮的首要條件，合理的結(jié)構(gòu)是避免泄漏的先決條件。根據(jù)當前國際形勢與國內(nèi)能源發(fā)展的需求，在空分和天然氣液化行業(yè)推進超低溫調(diào)節(jié)閥國產(chǎn)化極其迫切。超低溫調(diào)節(jié)閥是一種在零下100℃介質(zhì)中工作的閥門。隨著國內(nèi)經(jīng)濟飛速發(fā)展，低溫產(chǎn)品需求及產(chǎn)量日漸增長，液氧、液氮、液氦以及液化天然氣等被廣泛地應(yīng)用。液氦的溫度-254 ℃，液氮的溫度-196 ℃，液氧的溫度-183 ℃，液化天然氣的溫度-162 ℃，這些產(chǎn)品的分餾、儲存和運輸都需要使用大量的超低溫閥門。超低溫閥門的用量逐漸增大，用戶對超低溫閥的技術(shù)性能要求也在逐漸提高。

      2 工作原理

      超低溫調(diào)節(jié)閥主要由閥體、支座、上閥蓋、閥座、閥芯、套管等組成，通過閥芯實現(xiàn)對介質(zhì)流量和壓力的調(diào)節(jié)。在低溫工況下，閥體與執(zhí)行機構(gòu)間必須有足夠的距離，通過延伸的支座可以避免填料函結(jié)冰。雙壁的設(shè)計結(jié)構(gòu)能有效地減少熱傳遞，衍生的長度可以根據(jù)工況的要求定，可采用波紋管密封及其它結(jié)構(gòu)適當降低延長支座的長度。

      3 密封結(jié)構(gòu)

      3.1 材料

      材料的選擇需要考慮兩個條件：

      （1）材料在低溫條件下能夠保證足夠的韌性，防止在低溫下發(fā)成脆裂；

      （2）材料在低溫條件下能夠保證足夠穩(wěn)定性，防止在低溫下發(fā)生變形。

      隨著溫度的降低，大多數(shù)鋼材的強度有所增加，而韌性下降。金屬材料在低溫下呈現(xiàn)的脆性稱為冷脆性，材料由延性破壞轉(zhuǎn)變到脆性破壞的溫度稱為韌脆轉(zhuǎn)變臨界溫度。為防止發(fā)生低溫脆性破壞，鋼材的最低允許工作溫度應(yīng)高于韌脆轉(zhuǎn)變臨界溫度。

      具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的奧氏體不銹鋼沒有韌脆轉(zhuǎn)變臨界溫度，不會發(fā)生低溫脆性，如304、304L、316、316L等，在低溫條件下，仍然保證足夠的韌性，但這類鋼材在室溫下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，在低溫下容易發(fā)生相變。

      奧氏體不銹鋼在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度時，部分奧氏體變成馬氏體而引起體積變化，導(dǎo)致零件變形，這是引起閥門泄漏的一個重要原因，深冷處理可將馬氏體相變提前進行。所以超低溫調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用穩(wěn)定性較高的材料及進行相適應(yīng)的深冷處理。

      3.2 密封結(jié)構(gòu)

      常規(guī)調(diào)節(jié)閥密封常采用平面密封，如圖2，但在超低溫工況下，由于各零部件材料的熱膨脹系數(shù)、密封件在超低溫工況下的壓縮量的不同，閥門容易泄漏，所以密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計極為重要。

      在平面密封的基礎(chǔ)上增加泛塞封，如圖3，泛塞封起主要密封，密封墊片起次要密封，密封結(jié)構(gòu)的可靠性大大提高。

      4 檢驗

      4.1 檢驗方法

      超低溫閥門應(yīng)在常溫及超低溫環(huán)境下均滿足密封要求，常溫試驗使用氮氣做初始密封檢測，超低溫使用圖4所示設(shè)備進行，使用氦氣做密封檢測。

      4.2 閥座密封要求

      調(diào)節(jié)閥泄漏等級Ⅳ、Ⅴ級，常溫試驗使用0.35MPa氮氣做密封試驗，GB/T4213《氣動調(diào)節(jié)閥》明確規(guī)定了IV、V級標準泄漏量。超低溫試驗使用0.35Mpa氦氣在圖4所示設(shè)備中做密封試驗，氦氣的分子量與氮氣相差很大，易滲漏，GB/T4213《氣動調(diào)節(jié)閥》標準泄漏量計算公式中未涉及分子量的影響，使用GB/T4213《氣動調(diào)節(jié)閥》標準計算泄漏量顯然是不行的，GB/T24925《低溫閥門技術(shù)條件》標準泄漏量計算公式未區(qū)分IV，V級，顯然使用GB/T24925《低溫閥門技術(shù)條件》計算也是不行的。

      GB/T 17213《工業(yè)過程控制閥》中泄漏量計算公式中指出了分子量、溫度的影響，所以超低溫條件下試驗閥座密封應(yīng)借鑒GB/T 17213《工業(yè)過程控制閥》標準。IV級泄漏量計算公式如下：

      5 結(jié)束語

      本文所介紹結(jié)構(gòu)經(jīng)實際驗收，在超低溫環(huán)境下密封可靠；經(jīng)過實際對比，調(diào)節(jié)閥在超低溫環(huán)境下的標準泄漏量應(yīng)滿足GB/T 17213《工業(yè)過程控制閥》標準要求。

      參考文獻

      [1]陸培文.調(diào)節(jié)閥實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

      [2]陳國邦.低溫工程材料[M].浙江：浙江大學出版社，1998.

      [3]GB/T4213-2008 氣動調(diào)節(jié)閥[S]

      [4]GB/T24925-2019 低溫閥門技術(shù)條件[S]

      [5]GB/T17213 工業(yè)過程控制閥[S]