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低溫截止閥設(shè)計(jì)要求
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低溫截止閥設(shè)計(jì)要素
之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現(xiàn)在介紹 低溫截止閥設(shè)計(jì)要求低溫截止閥形狀與普通截止閥基本相同，不同之處是閥蓋是長(zhǎng)頸的，有的還有換熱薄片，但兩者設(shè)計(jì)上有區(qū)別。
低溫閥門，特別是超低溫閥門，其工作溫度極低。在設(shè)計(jì)這類閥門時(shí)，除了應(yīng)遵循一般閥門的設(shè)計(jì)原則外，還有一些特殊要求。
1．低溫截止閥設(shè)計(jì)要求
根據(jù)使用條件，低溫閥的設(shè)計(jì)有下列要求：
(1)閥門在低溫介質(zhì)及周圍環(huán)境溫度下應(yīng)具有長(zhǎng)時(shí)間工作的能力，一般使用壽命為10年或3000~ 5000次循環(huán)。
(2)閥門不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源。這是因?yàn)闊崃康牧魅顺档蜔嵝释?，如流入過多，還會(huì)使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險(xiǎn)。
(3)低溫介質(zhì)不應(yīng)對(duì)手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。
(4)直接與低溫介質(zhì)接觸的閥門組合件應(yīng)采用防爆和防火材料。
(5)在低溫下工作的閥門組合件無法潤(rùn)滑，所以需要采取結(jié)構(gòu)措施，以防止摩擦件擦傷。
2．低溫截止閥材料
(1)低溫閥主體材料
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(huì)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(shí)首先要選用適合低溫下工作的材料。表1一13規(guī)定了幾類材料的zui低使用溫度。
表1-13幾類材料的zui低使用溫度
鋁在低溫下不會(huì)出現(xiàn)砥溫脆性，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zui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，特別是沖擊韌度、相對(duì)延伸率及組織穩(wěn)定性；
③在低溫及無油潤(rùn)滑的情況下，具有良好的耐磨性：
④采用焊接連接時(shí)還需考慮材料的焊接性能。
2)閥體、閥蓋、閥座、閥瓣材料的選用。這些主體零部件材料的選用原則大致是：溫度高于- loOoC時(shí)選用鐵素體鋼；溫度低于- 100℃時(shí)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(jì)時(shí)根據(jù)zui低使用溫度選擇適當(dāng)?shù)牟牧?。?—14列出了日本低溫閥門中使用的具有代表性的材料；表1—15列出了這些材料的化學(xué)成分及力學(xué)性能。
表1-14閽體低溫材料zui低使用溫度
3)閥桿及緊固件的材料選用。溫度高于- loOOc時(shí)，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?，以提高抗拉?qiáng)度和防止螺紋咬傷等。
溫度低于- 100 cC時(shí)，采用奧氏體不銹鋼或耐酸鋼制造。但18—8耐酸鋼硬度低，會(huì)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(shí)在螺紋表面涂二硫化鉬。
低溫閥門的閥桿和緊固件常用材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1—16。
(2)低溫閥墊片、填料材料的選用隨著溫度降低，氟塑料收縮量很大，會(huì)使密封性能下降，容易引起泄漏。石棉填料無法避免滲透性泄漏。橡膠對(duì)液化天然氣有泡脹性，在低溫下不可采用。
在低溫閥門設(shè)計(jì)中，一方面有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證使填料處于接近環(huán)境溫度下工作，例如采用長(zhǎng)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(shí)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10%近1來發(fā)展起來的一種優(yōu)良的密封材料。這種材料對(duì)氣體、液體均不滲透，在厚度方向有10%—15%的彈性，較低的緊固壓力就可達(dá)到密封。它還有自潤(rùn)滑性，用做閥門填料可以防止填料與閥桿的磨損。柔性石棉填料使用溫度范圍為一200~ 870℃．
低溫閥門也可采用無填料的波紋管密封結(jié)構(gòu)。但單層波紋管即使采用加強(qiáng)環(huán)，其使用壽命仍然很短。這是由于低溫閥中閥門快速關(guān)閉或液體管道中可能存在氣穴等引起水擊所致，但使用多層波紋管就可以大大提高閥門的使用壽命。
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。由于墊片材料低溫下會(huì)硬化和降低塑性，所以應(yīng)選擇性能變化小的墊片材料。
適用溫度為一200℃，zui高使用壓力為3MPa時(shí)．采用長(zhǎng)纖維白石棉的石棉橡膠板。
適用溫度為一200℃，zui高使用壓力為5MPa時(shí)，采用耐酸鋼帶夾石棉纏制而成的纏繞式墊片'或聚四200烯和耐酸鋼帶繞制而成的纏繞式墊片。柔性石棉與耐酸鋼帶繞制而成的纏繞式墊片用于一200℃的低溫閥門上比較理想。表l一17中的應(yīng)用實(shí)例，可供設(shè)計(jì)參考。
表1.17美國、日本幾家公司墊片、填料的選用情況
上海申弘閥門有限公司主營(yíng)閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥,氣動(dòng)截止閥,電動(dòng)蝶閥,氣動(dòng)蝶閥聚四氟乙烯石棉編織材料或柔性石墨填料石棉纏繞式墊片或柔性石墨纏繞式墊片
3．低溫截止閥的特殊結(jié)構(gòu)
低溫截止閥的主要結(jié)構(gòu)與一般閥門大致相同，但有其特殊之處。
(1)閥體閥體應(yīng)麓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(huì)因溫度變化而產(chǎn)生*變形。
(2)閥蓋采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，如圖1—25所示。其目的在于保護(hù)填料函。填料函的密封性是低溫閥的關(guān)鍵因素之一。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(shí)也會(huì)因閥桿上下移動(dòng)而將填料劃傷，引起嚴(yán)重泄漏。所以低溫閥門必須采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)形式。此外，長(zhǎng)頸結(jié)構(gòu)還便于纏繞保冷材料。
長(zhǎng)頸閥蓋的頸長(zhǎng)（見圖l-26）由材料的導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)熱面積及表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)等因素來決定，同時(shí)也要滿足保冷層厚度的需要。頸長(zhǎng)可用試驗(yàn)方法求得，表1-18是考慮到標(biāo)準(zhǔn)低溫閥門使用溫度和保冷材料的厚度而設(shè)計(jì)的長(zhǎng)頸閥蓋的頸部長(zhǎng)度。
(3)密封。
(4)閥瓣截止閥的密封面采用錐形的結(jié)構(gòu)形式，不論溫度如何變化，均能保持可靠的閥桿閥桿需鍍鉻、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（蓋）相互咬死，損壞密封填料，造成填料函泄漏。
(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、緊固壓力毋布以及應(yīng)力松弛特性等。
(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(zhǎng)頸閥蓋頂端，使填料函處于離低溫較遠(yuǎn)的位置，在O℃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(shí)，或當(dāng)?shù)蜏亓黧w直接接觸填料造成密封效果下降時(shí)，可以從填料函中間加入潤(rùn)滑脂形成淮封層，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)，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)等其他形式。
(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。
(8)閥座、閥瓣、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O膨脹系數(shù)大，低溫變脆，所以僅適用于溫度高于一700C的低溫閥，但聚三氟乙烯可用于- 162C的低溫閥。
(9)中法蘭螺栓
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(huì)因疲勞而發(fā)生斷裂。
2)因螺栓在螺紋根部易引起應(yīng)力集中，所以采用全螺紋結(jié)構(gòu)的螺栓。
3)擰緊螺栓的預(yù)緊力犬小不均勻時(shí)，易產(chǎn)生疲勞破壞，所以用力矩扳手來擰緊螺栓。
(10)保冷又稱隔溫板，如圖1-25所示，是一塊焊在填料函下部長(zhǎng)頸部分的圓形板。其主要作一是支持保溫材料，二是提高保溫效果。
(11)預(yù)防異常升壓的措施閥門關(guān)閉后，閥腔內(nèi)會(huì)殘留一些液體。這些殘留在閥腔里的液體會(huì)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。例如，液化天然氣在一1620C時(shí)壓力為0.2~0.4MPa，當(dāng)溫度回升到20℃時(shí)，壓力增加到29. 3MPa。發(fā)生異常升壓現(xiàn)象時(shí)，會(huì)使閥板緊壓在閥座上，導(dǎo)致閥板不能開啟。這時(shí)，高壓會(huì)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)上設(shè)置泄壓孔（又稱壓力平衡孔或排氣孔），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(shí)，氣體可以通過小孔排出。這種方法比較簡(jiǎn)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(jì)時(shí)，應(yīng)有指示流體流向的箭頭；安裝時(shí)，要注意泄壓孔的位量，保證泄壓孔通向介質(zhì)入口的一側(cè)。
泄壓孔開設(shè)的位置視閥門結(jié)構(gòu)而定，有的在閥體上，這針對(duì)特殊截止閥而言。常見的截止閥中腔都與人口端相通，就不需要設(shè)計(jì)泄壓孔。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有美標(biāo)鈦截止閥
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