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石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求

　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)計要求和特殊結(jié)構(gòu)，在選用和安裝的過程中才不會出現(xiàn)問題。低溫閥門，特別是溫閥門，其工作溫度極低。在設(shè)計這類閥門時，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計原則外，還有一些特殊的要求。

低溫閥門包括低溫球閥、低溫電磁閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫安全閥、低溫止回閥，低溫蝶閥，低溫針閥，低溫節(jié)流閥，低溫減壓閥、低溫電動調(diào)節(jié)閥、低溫氣動調(diào)節(jié)閥等低溫閥門所控制的介質(zhì)除了液氮和其他液態(tài)惰性氣體外，大部分介質(zhì)不但易燃、易爆，而且在升溫或者閃蒸時會發(fā)生氣化，致使體積急劇膨脹，容易導(dǎo)致泄漏和爆炸。基于介質(zhì)特點(diǎn)及適應(yīng)閥門在低溫下使用的要求，低溫閥門的設(shè)計、制造、試驗(yàn)和安裝方法等均與普通閥門有不同之處。

一、石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的標(biāo)準(zhǔn)和定義

不同標(biāo)準(zhǔn)對低溫閥門有不同定義。

（1）英國閥門標(biāo)準(zhǔn) BS6364《低溫用閥門》適用于介質(zhì)溫度范圍為-50℃~-196℃ ；

（2）美國標(biāo)準(zhǔn) MSSSP-134 《對低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》對低溫的解釋為“對于標(biāo)準(zhǔn)慣例來說，低溫范圍介于-100℃~ -195℃"；

（3）中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24925《低溫閥門技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)適用于介質(zhì)溫度范圍為-29℃~-196℃；

（4）殼牌閥門標(biāo)準(zhǔn)SHELL MESC SPE 77/200《低溫及超低溫用閥門》適用于介質(zhì)溫度范圍為-30℃~-196℃。

（5）國外根據(jù)各種不同氣體在常壓下的液化溫度一般分為六種溫度級。

　　1 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的設(shè)計要求

　　根據(jù)使用條件，低溫閥的設(shè)計有下列要求：

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

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

　　2 低溫閥的材料選用

　　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。選擇主體材料時首先要選用適合于低溫下工作的材料。

　　鋁在低溫下不會出現(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、相對延伸率及組織穩(wěn)定性；

　　3）在低溫及無油潤滑的情況下，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℃時選用鐵素體鋼；溫度低于-100℃時選用奧氏體鋼；低壓及小口徑閥門可選用銅和鋁等材料。設(shè)計時根據(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，閥桿和螺栓材料采用Ni、，Cr-Mo等合金鋼，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蕴岣呖估瓘?qiáng)度和防止螺紋咬傷等。溫度低于-100℃時，采用奧氏體不銹耐酸鋼制造。但18-8耐酸鋼硬度低，會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，同時在螺紋表面涂二硫化鉬。

　　2.2 低溫閥墊片、填料材料的選用

　　在低溫閥門設(shè)計中，一方面由結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證使填料處于接近環(huán)境溫度下工作，例如，采用長頸閥蓋結(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，采用長纖維白石棉的石棉橡膠板。使用溫度為-200℃，*高使用壓力5MPa時，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 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的特殊結(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。

　　3.1 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)不會因溫度變化而產(chǎn)生變形。

　　3.2 閥蓋

　　采用長頸閥蓋結(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，同時也會因閥桿上下移動而將填料劃傷，引起嚴(yán)重泄漏。所以低溫閥門必須采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長頸結(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，或當(dāng)?shù)蜏亓黧w直接接觸填料造成密封效果下降時，可以從填料函中間加入潤滑脂形成油封層，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)會殘留一些液體。隨著時間的增加，這些殘留在閥腔里的液體會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，會使閘板緊壓在閥座上，導(dǎo)致閘板不能開啟。這時，高壓會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，氣體可以通過小孔排出。這種方法比較簡單，目前已被廣泛采用。采用泄壓孔防止異常升壓，在閥體設(shè)計時，應(yīng)有指示流體流向的箭頭；安裝時，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，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，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 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求的安裝要求

　　了解了低溫閥的設(shè)計要求及特殊結(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，低溫閥的閥桿應(yīng)向上安裝，防止閥門關(guān)閉后，閥腔內(nèi)會殘留一些液體，液體氣化造成異常升壓，閘板無法開啟。而且低溫閥的閥桿較長，安裝時應(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。

　　5 石油化工超低溫深冷閥門設(shè)計要求結(jié)論

　　隨著石油化工裝置越來越大型化，如何降低能耗，節(jié)省投資成為一個主要問題。低溫閥門在整個裝置中占有相當(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。近幾十年，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程項(xiàng)目中對低溫閥門的需求越來越多。低溫閥門在化肥、LNG 及石油化工等領(lǐng)域使用較多。適用于介質(zhì)溫度-40℃～ -250℃的閥門稱之為低溫閥門。