低溫球閥結構性能驗證

低溫試驗是對低溫閥門性能驗證的一個重要手段，現(xiàn)行標準規(guī)定的閥門低溫試驗方法與實際工況有一定的差異，不當?shù)牟僮魅菀自斐稍囼灲Y果的失真，甚至對受試閥門的損害。本文主要針對低溫球閥的特殊結構，分析了閥門低溫試驗中容易出現(xiàn)的問題，并結合實際操作經(jīng)驗，提出了一些應對措施。

1、前言

　　球閥以啟閉迅速、密封可靠、結構簡單、重量輕、流阻小等特點，目前在低溫管道系統(tǒng)得到較廣泛應用。用于工業(yè)低溫管道的球閥，除少量一部分特殊用途、非典型結構外，大都為非金屬軟密封閥座結構，由于其運行工況惡劣，作用關鍵，因此密封要求高，性能考核嚴格，其低溫性能試驗是生產(chǎn)與使用過程中的一道關鍵工序。

　　球閥的低溫試驗具有一定的特殊性，真空技術網(wǎng)（http:///）認為了解掌握球閥低溫試驗的原理、方法及特性，科學、合理地利用低溫試驗的手段，對促進低溫球閥的研究、生產(chǎn)，持續(xù)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障重點工程建設均有著重要的意義。

2、閥門的低溫試驗

2.1、目的

　　閥門低溫試驗是檢驗低溫閥門在低溫模擬工況環(huán)境下的性能，可以對低溫閥門整機性能作出評價。目前，閥門低溫試驗所執(zhí)行的標準主要是：GB /T24925-2010、BS 6364:1984 等。低溫試驗的主要內(nèi)容有: 檢驗密封件、填料、上密封等處的密封情況；整機帶壓工況的操作性能等。檢測參數(shù)有: 閥體、閥蓋、閥桿、閥瓣、填料函、冷媒及環(huán)境溫度；閥門出口端的瞬間泄漏量、累積泄漏量和平均泄漏量；試驗介質(zhì)壓力極其變動情況。試驗介質(zhì)一般為氦氣。

2.2、試驗裝置

　　閥門的低溫試驗裝置如圖1 所示，試驗裝置主要由低溫系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)和測控系統(tǒng)3 部分組成。低溫系統(tǒng)以液氮作冷媒，營造合適的低溫環(huán)境，應具備浸漬和噴淋兩種降溫模式，其中噴淋降溫法要能實現(xiàn)0 ～-196℃溫度可調(diào)；壓力系統(tǒng)控制試驗介質(zhì)壓力，提供試驗需要的壓力源，對于貴重試驗介質(zhì)，應能盡可能實現(xiàn)回收重復利用；測控系統(tǒng)負責試驗過程中各物理量的采集、歸納、評定，輔助參數(shù)和試驗參數(shù)的管理，整個試驗裝置的過程控制，并提供完備的人機操作界面。

2.3、試驗過程

　　低溫試驗前，應使受試閥門充分干燥，去除閥內(nèi)的油脂及雜物。將低溫閥門安裝在低溫試驗槽內(nèi)，連接好所有接頭，保證閥門填料部分位于保溫蓋以上，且溫度保持在0℃ 以上。將閥門浸入低溫介質(zhì)中，低溫介質(zhì)蓋住閥體與閥蓋連接部分上端，或使用噴嘴向閥門的閥蓋頸部以下均勻噴淋低溫介質(zhì)，使閥門冷卻至相應的試驗溫度。保持一定的時間，直到各處的溫度穩(wěn)定為止，溫度變化應在± 5℃以內(nèi)。開關閥門若干次，檢驗其低溫操作性能；關閉閥門，按正常流向加壓，進行密封試驗。再將閥門處于半開狀態(tài)，關閉出口端的針型閥，檢驗閥門填料、閥體和閥蓋連接處的密封性。將試驗結果與相應標準對照，判定結果，形成結論。

3、球閥低溫試驗中應該注意的問題

3.1、與實際工況的差異

　　目前的標準、資料所推薦的低溫試驗方法幾乎都是采用外冷法，即利用冷媒從受試閥門外部提取熱量，降低閥門溫度。而低溫閥門的實際工況條件是: 低溫介質(zhì)從閥門內(nèi)部流過，外部接觸常溫或相對較高溫度環(huán)境。

　　外冷法帶來的問題是使低溫閥門在試驗初期產(chǎn)生一個與實際工況相反的溫度梯度，對低溫球閥而言，閥體和閥蓋快速冷卻，產(chǎn)生體積收縮，而此時球體、閥座尚未*冷透，特別是由于非金屬閥座的隔熱作用，進一步延緩了熱量傳遞過程。此時，原有的配合被改變，非金屬閥座或組合閥座的非金屬密封圈可能會受到過度擠壓，造成各部件動作困難，我們姑且稱這種現(xiàn)象為: 低溫抱死。低溫抱死會使非金屬閥座產(chǎn)生*性變形，即所謂“冷流”現(xiàn)象，并且，聚四氟乙烯等非金屬材料的熱膨脹系數(shù)要大于金屬材料，隨著內(nèi)、外溫度的逐漸平衡，內(nèi)件收縮，密封比壓降低或消失，密封副失效。即使低溫試驗合格的產(chǎn)品，由于低溫管道實際工況的溫度梯度可能始終存在，閥門殼體的溫度水平高于內(nèi)件，裝配時預加的密封比壓會有所降低，仍可能會造成密封效果下降。

3.2、低溫抱死

　　低溫抱死帶來的損害有時會很嚴重，除了對閥座的擠壓外，連接殼體的緊固件和密封元件也會受到應力異常升高帶來的損害，殼體和內(nèi)件相互抱緊后，受力情況復雜，嚴重時也可能會造成結構上的*改變。

　　低溫球閥產(chǎn)生低溫抱死后zui忌立即進行開、關操作，此時的開、關操作在極大的應力作用下很容易在閥座的密封面上產(chǎn)生一系列壓痕，甚至會造成球體端口對閥座的“啃切”現(xiàn)象，使閥座*失效。

　　防止低溫抱死損害的有效手段是控制好降溫速率，降溫過程中保持閥門處于全開或全關位置，設法進行閥內(nèi)溫度的測定，維持一定的溫度穩(wěn)定時間，開、關操作前要盡可能保持閥門內(nèi)、外溫度平衡。

3.3、材料低溫特性的影響

　　目前低溫閥門，特別是LNG 等介質(zhì)用超低溫閥門的金屬用材主要以304、304L、316、316L 等Ni—Cr 奧氏體不銹鋼為主，這類材料在低溫下仍能保持較好的強度和韌性，但這類材料也存在著某些不足，這些材料都屬于亞穩(wěn)定型不銹鋼，在低溫下會發(fā)生向馬氏體的金相轉(zhuǎn)變，由于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，低溫相變后會引起體積膨脹而導致零件變形。此外，溫度降低還會造成金屬結構的收縮，由于零件各部分收縮不均勻，就產(chǎn)生了溫度應力，當溫度應力超出了材料的屈服極*，零件將產(chǎn)生不可逆的*變形。因此，低溫閥門零部件的深冷處理工藝是很關鍵的，深冷處理的目的就是使這些相變和變形在精加工之前充分發(fā)生，以保證成品零、部件的結構穩(wěn)定。零部件沒有經(jīng)過深冷處理的低溫閥門在進入低溫環(huán)境后可能會造成整機性能全面失效。

　　低溫球閥的非金屬閥座一般以聚四氟乙烯（ PTFE） 、聚三氟氯乙烯（ PCTFE） 等構成，PTFE 和PCTFE 的理論脆化溫度均為-180 ～- 195℃，但實際上，商業(yè)化采購的產(chǎn)品遠達不到這樣的溫度，閥座的低溫脆性帶來的損害有時是嚴重的，脆化后的閥座已失去了彈性補償能力，如果球體精度沒有足夠高，很難達到密封要求，特別對于中國標準規(guī)定的軟密封閥座的零泄漏要求。此外，脆化后的閥座硬度急劇升高，有可能造成球體表面損傷或閥座脆裂。

3.4、降溫速率的影響

　　浸漬法降溫的速率其實是很難控制的，取決于閥門表面狀況和材料的導熱系數(shù)。但噴淋方式可以通過控制液氮噴淋量來調(diào)節(jié)降溫速率。從理論上來說，較低的降溫速率可以降低閥門內(nèi)、外溫差，減小溫度梯度，對試驗過程有利，但會增加液氮的消耗。降溫速率應視受試閥門的具體參數(shù)而定，如通徑、壁厚、結構情況、內(nèi)件組成等。過快的降溫速率會加劇低溫抱死現(xiàn)象，并且，過大的溫度梯度會引起較高的內(nèi)應力，造成構件損壞。

4、試驗用冷媒和介質(zhì)的消耗控制

4.1、冷媒消耗及其控制

　　低溫試驗中冷媒的理想消耗應該是: 受試閥門連同試驗槽內(nèi)的附屬設施從室溫降低到規(guī)定溫度所需要帶走的熱量，等于所消耗冷媒的汽化潛熱總量。減少冷媒消耗是降低試驗成本的一項重要措施，減少冷媒消耗可以從以下方面著手: （1）選擇容積合適的低溫試驗槽；（2） 盡可能減小試驗槽內(nèi)的多余空間，可以用熱容量較小的材料填塞多余空間；（3） 對于需要溫度調(diào)節(jié)的試驗，盡量采用噴淋方式調(diào)溫，避免使用酒精稀釋冷媒后的浸漬；（4） 集中安排試驗，同規(guī)格的產(chǎn)品可以進行連續(xù)試驗，以合理利用殘液；（5） 加強保溫措施，減少冷量的額外損耗。

4.2、試驗介質(zhì)消耗及其控制

　　低溫試驗的介質(zhì)一般規(guī)定為氦氣，氦氣是一種惰性氣體，標準大氣壓下的液化溫度為-269℃，是用于閥門低溫試驗比較合適的介質(zhì)。但氦氣的市場價格昂貴，而大口徑、高壓力閥門低溫試驗的氦氣消耗量巨大，因此，氦氣的消耗控制及回收重復利用意義重大。從原理上來說，氦氣的回收技術并不復雜，重要的是其過程的可操作性和操作的安全性設計。曾有人擔心氦氣回收后的純度問題，其實，閥門低溫試驗對氦氣的純度要求并不高，而且，閥門在低溫試驗過程中，首先對閥腔進行氦氣吹掃，以排除內(nèi)腔空氣。閥門低溫試驗時的深冷高壓環(huán)境已超過了絕大部分物質(zhì)的液化凝結點，回收后的氦氣純度變化不大，對低溫試驗的重復使用也沒多少影響。

5、安全防范措施

　　閥門的低溫試驗是一項具有一定危險性的工作，安全防范措施十分重要。其危險性主要體現(xiàn)在: 液氮大量揮發(fā)造成的局部缺氧，會引起人員窒息；可能會出現(xiàn)的對人員的低溫“燙傷”；試驗介質(zhì)大量泄漏而引起的冷媒飛濺；以及儀器、儀表的低溫損壞。因此，低溫試驗的工作場所要保持良好的通風，必要時，還需進行人工強制通風。要以相關標準為依據(jù)，科學、合理地制定企業(yè)低溫閥門試驗操作規(guī)程。操作人員必須持證上崗，并配備必要的安全防護裝備，要特別注意對臉、手等暴露在外的身體部位的保護，低溫操作時應嚴格禁止一個人在現(xiàn)場工作。試驗設備上要設置緊急停車功能，并使其操作部件處于zui醒目和便于操作位置。對于高壓、大口徑等高參數(shù)試驗，應盡可能進行遠距離操作。受試閥門在低溫試驗槽內(nèi)要有固定和夾緊措施。儀器、儀表的選擇要注重其抗低溫特性，及低溫下的性能穩(wěn)定性，防止其非耐低溫部位接觸低溫環(huán)境。對于暴露在外的低溫設備或設備的低溫部位要設立警示標志，并進行隔離，避免對無關人員的意外傷害。

6、結語

　　現(xiàn)行標準規(guī)定的閥門低溫試驗方法與低溫閥門的實際運行工況環(huán)境有一定的差異，應合理的控制降溫速率、降溫方式、保溫時間，使試驗條件盡可能接近實際工況。對于球閥的低溫試驗，要注意其構件材料的低溫特性，防止低溫抱死、冷流等對受試閥門的損害。閥門低溫試驗中的冷媒和試驗介質(zhì)價格昂貴且消耗較大，應注意消耗控制，或?qū)ζ浠厥罩貜屠谩Ｒ訌姲踩婪洞胧乐沟蜏貙θ藛T和設備的傷害。