化工裝置用低溫閥門

米超輝(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

0 引言

低溫閥門包括低溫球閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫安全閥、低溫止回閥、低溫針閥、低溫節(jié)流閥、低溫減壓閥等，主要用于乙烯、丙烯、液化天然氣裝置及液化石油氣、天然氣、LNG 儲罐系統(tǒng)、煤氣化凈化裝置等。還用于空分設備、石油化工尾氣分離設備，液氧、液氮、液氦、液氬、液氫、二氧化碳低溫貯槽、變壓吸附制氧等裝置上。由此可見，低溫閥門在石油化工和煤化工領域，用途越來越廣，需求量越來越大，已成為全球閥門界關(guān)注的焦點。

1 低溫閥門的結(jié)構(gòu)特征

低溫閥門在結(jié)構(gòu)上和普通閥門相比，通常有三大特征：第一，閥蓋設計長頸結(jié)構(gòu)；第二，閥腔設計自泄壓結(jié)構(gòu)；第三，閥蓋長頸外圓增設隔離滴盤。

1.1 閥蓋長頸結(jié)構(gòu)

當介質(zhì)溫度低于-29℃時，則需要安裝低溫閥門。為了防止填料函處結(jié)冰，損傷閥桿，所以閥蓋的填料箱要遠離閥門流道，設計長頸結(jié)構(gòu)，頸部的加長尺寸按GB/T 24925 標準規(guī)定。工作溫度越低，公稱尺寸越大，則閥蓋加長頸伸長量越大。除低溫止回閥外，其他各類低溫閥門，均需設計長頸結(jié)構(gòu)。對于有上密封要求的低溫閘閥、低溫截止閥等，其閥蓋的倒密封座，原來一般設計在閥蓋下端的裝閥桿孔口，這樣加工方便，但由于閥桿和閥蓋內(nèi)孔配合間隙較大，積液較多，不易提高填料函底部溫度。所以后來標準規(guī)定閥蓋的上密封設計在靠近填料函的位置。

1.2 自泄壓結(jié)構(gòu)

當?shù)蜏亻y門內(nèi)流過低溫液體，如液氮、液氬、液氧、液化天然氣等，這些介質(zhì)一旦氣化，體積會急劇膨脹，達到數(shù)百倍，如果封閉在閥門體腔內(nèi)，就有發(fā)生爆裂的危險。所以對于雙向密封的閥門，如球閥、閘閥等，中腔均要設計自泄壓結(jié)構(gòu)。

閘閥一般是在閘板的進口側(cè)開一小孔與進口管道連通。球閥的安全泄壓有兩種方式：一種是進口端的預緊彈簧通過精確計算，當體腔壓力超過額定工作壓力的1.33 倍時，進口端的預緊彈簧會壓力釋放，自動泄壓。另一種是在球閥的中腔外部安裝泄壓安全閥，事先調(diào)好安全閥的啟動壓力，這樣也能保護低溫球閥的使用安全。

1.3 隔離滴盤

低溫閥門在管道安裝后，為了使介質(zhì)保持低溫，減少氣化，都要對管道、閥體、閥蓋的加長頸部包裹保冷材料，所以要求在加長閥蓋的上部焊上隔離滴盤，以免冷凝水或雨水淋濕加長閥蓋的保冷層而造成結(jié)冰，影響閥門的使用。

1.4 防止外漏

由于低溫閥門大多安裝在易燃易爆介質(zhì)的管道中，隨著國家對安全環(huán)保的嚴格要求，所以要求低溫閥門嚴格執(zhí)行國家標準GB/T 26481—2011《閥門的逸散性試驗》，填料函應該安裝高品質(zhì)的微泄漏組合填料。另外填料壓蓋的鎖緊螺母下面增設彈性防松墊或齒形防松墊，以免由于管道振動出現(xiàn)螺母松動引起填料函泄漏的危險。

2 低溫閥門的材料

2.1 材料分類

低溫閥門的材料主要有3 類：即碳鋼、合金鋼和奧氏體不銹鋼。碳鋼主要有LCB(LF2)等，用于溫度不低于-46℃的非腐蝕性介質(zhì)中；合金鋼主要有LC3(LF3)，用于溫度不低于-101℃的非腐蝕性介質(zhì)中；奧氏體不銹鋼主要有CF8(F304)、CF8M(F316)、CF3(F304L)、CF3M(F316L)等，主要用于溫度不低于-254℃，且有一定腐蝕性的低溫介質(zhì)中。

2.2 材料熱處理

低溫閥門的材料，無論是鍛件、鑄件或焊接件都必須進行熱處理，以消除應力，細化晶粒，改善材料的金相組織，提高綜合力學性能。碳鋼和合金鋼的熱處理方法主要是正火加回火，根據(jù)材料化學成份的不同，其正火和回火溫度略有變化。對于厚壁鑄件或力學性能要求較高的鐵素體鋼鑄件，需進行淬火加回火處理，這樣可使鑄件的珠光體變?yōu)榛鼗鹚魇象w，綜合力學性能更好。對于奧氏體不銹鋼，其熱處理方法是固溶處理，對于含鈦和鈮的奧氏體不銹鋼還要在淬火后進行穩(wěn)定化處理，以便析出穩(wěn)定元素(Ti、Nb)的碳化物，以減少Cr 碳化物的析出，防止晶間腐蝕和應力腐蝕。熱處理具有深奧的科學理論，高端低溫閥門的國內(nèi)外差距主要在材料和材料的熱處理工藝方面，這些是我國LNG 用低溫閥門遲遲不能實現(xiàn)國產(chǎn)化的瓶頸技術(shù)。低溫閥門和其他閥門的重要不同點是要對閥門的受力件(包括殼體、內(nèi)件、緊固件等)進行低溫夏氏V 形缺口沖擊試驗，沖擊試樣的溫度要和閥門最低工作溫度相同，沖擊試樣的沖擊值和平均值均要符合標準要求，目的是防止產(chǎn)品在使用中出現(xiàn)低溫脆性。

2.3 工件深冷處理

低溫閥門在使用中，經(jīng)常出現(xiàn)溫度冷熱交變頻繁的情況，為了保證奧氏體組織的穩(wěn)定性，要求工作溫度低于-100℃的奧氏體不銹鋼閥門，其殼體和內(nèi)件等接觸低溫介質(zhì)的零部件，在最終精加工之前，要用液氮進行2 次深冷處理，每次都要保證工件在液氮箱中浸沒，當工件溫度穩(wěn)定在-196℃時，根據(jù)零件厚度大小保溫2～4 小時，然后再取出箱外自然恢復至室溫。

3 低溫閥門的檢驗

低溫閥門屬于風險較大的閥類，而且很多關(guān)鍵閥門仍然依賴進口，國產(chǎn)化進程仍很漫長，所以制造檢驗要嚴加控制。檢驗包括材料的檢驗、產(chǎn)品性能檢驗兩部分。

3.1 材料的檢驗

閥門制造商按合同或技術(shù)協(xié)議要求，產(chǎn)品交貨時要提供材料的化學成份、力學性能試驗報告，力學性能包括硬度、抗拉強度、屈服強度、斷面伸長率、斷面收縮率、夏氏V 形缺口沖擊試驗、熱處理報告和金相檢測報告、晶間腐蝕報告等。對零件表面不僅要按標準作目視檢查外，還要進行無損檢測，無損檢測包括磁粉探傷(MT)、滲透探傷(PT)、超聲波探傷(UT)、射線探傷等(RT)。對含有H2S 介質(zhì)的碳鋼低溫閥門，原來在選材上要執(zhí)行美國防腐學會標準NACE MR0175，國際標準化組織制訂的新版ISO 15156-1《石油天然氣工業(yè)—油氣開采中用于H2S 環(huán)境的材料，第1 部分：抗開裂材料選擇的一般原則》，可替代原標準。為了提高產(chǎn)品的安全性，還要求對碳鋼低溫閥的殼體材料進行HIC(抗氫誘導裂紋)和SSCC(抗硫化物應力腐蝕開裂)的試驗。

3.2 產(chǎn)品常溫性能檢驗

低溫閥門的常溫試驗和普通閥門一樣，按相關(guān)標準進行下列試驗：(1)殼體強度試驗；(2)高壓密封試驗；(3)高壓上密封試驗(有上密封要求的閥門)；(4)低壓氣密封試驗。

如果用戶有要求，還要做高壓氣密封試驗和按照ISO 15848標準進行填料函和中法蘭處的低泄漏試驗。高壓氣密封試驗一定要在水壓試驗后進行，并要采取安全防護措施。在對奧氏體不銹鋼閥門進行水壓試驗時，水中的氯離子含量應控制在25ppm 以內(nèi)。

對于軟密封結(jié)構(gòu)的低溫閥門，如低溫球閥、低溫平板閘閥、低溫蝶閥等，一定要設計成防火結(jié)構(gòu)，而且樣閥要通過防火試驗，并取得防火認證。取證要求按API 607、API 6FA、API 6FD等相關(guān)標準，由TüV 等國際認證機構(gòu)見證并頒發(fā)證書。

3.3 產(chǎn)品低溫性能試驗

對于低溫閥門，按合同規(guī)定的比例抽檢，進行低溫試驗。低溫試驗要有特制的低溫試驗裝置(見圖1)。在低溫試驗前，要對閥門進行脫脂處理和凈化處理，并用氮氣吹干或烘干，防止油脂或水在低溫下變成堅硬的固體造成閥內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷。低溫試驗時，將閥門和試壓裝置(法蘭盲板、管接頭、閥體內(nèi)熱電偶)固定連接好以后，在常溫和最大壓力下，使用氮氣做初始檢測試驗確保各處連接的緊密性。然后用氦氣將氮氣排出體外，將閥體整體放入液氮槽中，充入液氮，液位高度到達閥蓋頸部位置，當閥門各部位(閥體、閥蓋表面、閥桿填料處、閥體內(nèi)腔)的熱電偶顯示溫度達到規(guī)定的要求時，即可開始充氦氣試驗。試驗內(nèi)容包括三部分：第一是閥門開關(guān)動作5 次，應無卡阻現(xiàn)象；第二是密封副低溫試驗，通過流量計觀察閥座泄漏量；第三是填料和中法蘭墊片處用氦質(zhì)譜檢漏儀檢查低泄漏情況。該裝置應是智能型全自動測控裝置，具有一鍵式操作，遠程監(jiān)控，實時顯示功能。

4 結(jié)語

圖1.閥門低溫試驗裝置典型結(jié)構(gòu)示意圖

低溫閥門由于介質(zhì)工況特殊，所以閥門結(jié)構(gòu)設計特殊，對材料的選擇和熱處理、深冷處理工藝都與常規(guī)閥門不同，閥門的出廠檢驗也比其他產(chǎn)品更加嚴格，所以盡快研發(fā)出高檔低溫閥門，替代進口，實現(xiàn)國產(chǎn)化是當務之急。