低温阀门深冷试验装置的设计

        1　前言
        低温阀门通常是指工作温度在-40℃以下的阀门，随着空分、液化天然气、乙烯石化等工业的发展，近年来，低温阀门的市场需求逐年上升，应用领域也越来越广泛。低温阀门已成为阀门产品中的一个重要分支，而阀门的低温试验装置是低温阀门生产过程中不可或缺的关键设备，完整的、符合要求的阀门低温试验装置不仅是低温阀门生产和质量控制的保证，同时，也是低温阀门生产能力的重要象征。
        2　低温阀门及其低温试验装置
        2.1　低温阀门
        低温阀门通常按其工作温度分类，-100-40℃的称为低温阀门，-100℃以下的称为超低温阀门，低温阀门的工作温度主要取决于其介质温度，表1列出了常见介质的气体液化温度，从其中的分布温度来看，低于-100℃的工况环境，目前应该受到高度重视。

表1　常用气体的液化温度 （℃）

        低温阀门的主要品种有：闸阀、截止阀、止回阀、球阀和蝶阀等。低温阀门一般都采用长颈阀盖结构，以保证填料函底部温度保持在0℃以上，防止填料冻结。结构设计时应考虑由于温度变化引起的结构变形和介质异常升压现象，以保证密封性能和强度安全为主要原则。低温阀门材料选择要依工作温度而定，一般来说，-100℃以上，主体材料采用低温碳钢，-100℃以下要选择奥氏体不锈钢。密封和紧固件也要依据工作温度的不同，选择合适的材料以保证有效的机械性能。
        2.2　阀门低温试验装置
        阀门低温试验装置主要用来进行低温阀门零部件深冷处理和阀门低温型式试验。
        有关标准规定，工作温度低于-100℃的低温阀门，其主要零部件在精加工前应进行深冷处理，目的是减少由于温差和金相组织改变而产生的变形。低温试验主要是检验在低温工作环境下，低温阀门的整机性能，这是一项要定期进行的工作。
        目前，低温环境主要是通过热力循环或低温介质（通常是低温液体吸收气化潜热）方式获得，但-100℃以下的深冷环境通常只能通过低温液体浸渍法获得，由于液氮的温度位合适（-196℃）、来源广泛、无污染、价格便宜而得到广泛应用。采用液氮作为冷媒介质时，可以通过加入一定比例的酒精来获得不同的温度位。
        3　深冷处理与低温试验
        3.1　深冷处理
        深冷处理工艺在阀门行业主要适用于工作温度低于-100℃的超低温阀门零部件，在这个温度段的用材主要以F304、F304L、F316和F316L等Cr-Ni奥氏体不锈钢为主，这些材料都属于亚稳定型不锈钢，在低温下会发生向马氏体的金相转变，由于体心立方晶格的马氏体比面心立方晶格的奥氏体具有更大的比容，低温相变后会引起体积膨胀而导致零件变形。
   此外，温度降低还会造成金属结构的收缩，由于零件各部分收缩不均匀，就产生了温度应力，当温度应力超出了材料的屈服极限时，零件将产生不可逆的永久变形。深冷处理可以使相变和变形充分发生，然后，通过精加工使零件保持组织和尺寸的相对稳定。具体方法是：将零件浸放在液氮中，当温度达到-196℃时开始保温1～2h，然后取出，自然恢复到常温，重复循环2次。有关研究资料表明，深冷处理还有强化材料机械性能的效果，钢铁材料在经过深冷处理后，强度和硬度有所提高。主要是由于：（1）残余奥氏体转变为马氏体，从而提高强度和硬度；（2）从马氏体中析出超细碳化物，从而弥散强化；（3）组织细化，从而引起材料的强硬化。并且认为：二次深冷处理效果最佳，因为第二次处理时材料仍能发生结构上的变化，但是此后的多次处理就不再有明显变化 。
        3.2　低温试验
        目前，阀门低温试验所执行的标准主要是：JB/T7794、BS6364等。在低温试验前，阀门应进行去油脂和干燥处理，因为油脂和水分在低温环境下会变成坚硬的固态物质，造成阀内结构损伤。将阀门和试验装置连接好以后，在常温和最大工作压力下，使用氦气做初始检测试验，确保各部位连接的紧密性。在阀门降温的过程中要保持阀内始终有氦气流通，以带走降温过程中可能形成的湿气。整个试验过程要在低温试验槽内完成，阀门整体浸入液氮或液氮与酒精的混合液中，液面高度应达到阀盖颈部位置。当各部位温度达到规定的要求时，即可开始试验。低温试验的内容主要是按有关标准要求，检测阀门在低温状态下的密封和操作性能，其间还要做若干次的开关操作，一定要注意人员的安全防护，要注意工作环境的通风和低温区域的警示、隔离。要重视对试验结束后工作场所的善后防护。
        4　阀门深冷试验装置设计
        所讨论的低温阀门深冷试验装置设计方案基于现代测控技术，考虑了目前主要的低温阀门产品分布。方案的提出有实际的工程应用基础。
        4.1　低温系统
        低温系统由低温储罐、低温试验槽、真空连接管道，低温控制阀等组成，如图1所示。

图1　低温系统

        低温试验槽的设计是本系统的重点，试验槽的尺寸要依据产品规格合理配置，以公称通径24in（600mm）、公称压力600磅的闸阀为例，结构长度1407mm，法兰外径1000mm，底部至阀盖壳体约1600mm。阀体两端安装垫环、盲板、螺栓螺母等长度约为1760mm，加上余量，内胆尺寸为2000mm，宽1600mm，高度加垫块、固定板后约1800mm、液面至槽口安全高度约200mm。低温槽外形尺寸（长、宽、高、保温层厚度）为2500mm、2100mm、2000mm、250mm。箱体承重可达2.5t/m2（设起吊环）。内腔侧板采用5mm304板，底板为7mm304，底座框架，外板为2mm304板。内外腔充填A、B双组分聚合物高保温材料。箱体和箱盖总重量为2.5～2.8t。表2为不同规格的试验槽设计尺寸。

表2　试验槽要求

        低温试验槽应设计成敞口双层结构，以方便试件吊装，但要配有保温上盖，内胆要有足够的壁厚以承受可能产生的吊装冲击，底部要设置固定结构，防止试验中阀门的整体转动。内、外壁间填充高保温聚合物发泡材料，形成中间“绝热层”，内、外壁之间的传热方式主要是“热传导”，因此，其间的加强筋要设置“传热断桥”，防止随筋板产生的“热传导”，隔热筋板结构如图2所示。

图2　隔热筋板结构

        试验槽半埋入地，以方便操作，利于保温，提高安全性。低温储罐与试验槽间及各试验槽间以真空管道相连，以方便补液和合理利用残液。管道设计要结合现场情况，合理安排切换阀组并加装安全阀。
        4.2　压力管路系统设置
        压力管路系统的目的是为了满足在低温状态下的阀门性能试验。压力管路系统如图3所示。

图3　压力管路系统

        压力管路系统由蛇形压力管（DN6～10）、针型阀、气体增压泵、控制管网、承压盲板等组成，主要测试内容是阀门密封及低温操作性能，深冷状态下的试验介质以氦气为宜（气态氮气回到高压深冷环境后会产生二次液化）。出于经济上的考虑，对于大通径、高压力阀门的低温试验，应考虑贵重试验介质的重复使用，气体增压泵前后要设计正、反向切换回路，便于贵重试验介质回收，氦气可回收增压回路如图4所示。出于安全上的考虑，控制阀组尽可能引入操作控制室，避免长时间的现场操作。
        4.3　测控系统
        测试及数据采集系统由上位机、压电变送器、软式铠装铂电阻、高精度流量计、智能显示仪、积算仪、针形阀、酒精计泡器、氦质谱检漏仪以及采集电路等组成，如图5所示。测量参数包括：冷媒温度，阀体、阀盖、阀杆、填料、密封件温度，介质压力，泄漏量等。所选测试仪器应能适应-196℃以下工作环境。参数测量采用现场二次仪表与计算机远传采集相结合。压力参数经压力变送器传送入智能数字显示仪，流量参数经流量计（精度≤0.01mL/s）传送入智能流量积算仪，温度参数经PT100铂电阻变送器传送入智能数字显示仪，各仪表实时显示待监控参数，并将各参数通过RS232/485传输入上位机，供上位机监控分析软件计算分析数据。压力管路控制阀门及电气控制开关引入控制室，实时数据显示、现场打印、远程监测。

图4　氦气可回收增压回路

图5　测控系统

        上位机（工控机）：负责接收智能数字显示仪和智能流量积算仪传送的信号，通过组态实现试验监控，并判断结果，形成试验参数曲线及报告。
        5　结语
        深冷处理和低温试验是低温阀门生产过程中的重要环节，而合格的低温试验装置是这项工作正常进行所必须的设备保证。
        低温试验装置的建设要考虑：试验标准规范的适应，操作流程的合理，测量参数的准确，工作场所的安全，以及冷媒、试验介质的消耗和综合利用等。