低溫安全閥的研究與分析

摘要：本文綜述了近年來國內外關于低溫安全閥的研究成果和應用經驗，從低溫安全閥的制造和校驗等方面進行介紹，旨在為我國低溫安全閥的設計、制造和使用提供有益的參考，并為準確進行安全閥校驗提供思路。

關鍵詞：低溫安全閥；性能試驗；校驗裝置；溫度修正

中圖分類號：TH134文獻標志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.035

基金項目：遼寧省市場監督管理局科技計劃項目（2023ZC012）；遼寧省檢驗檢測認證中心青年人才創新創業項目（SC202302）。

0前言

安全閥作為低溫容器的安全泄放裝置，是必不可少的安全附件。當低溫容器因保溫不良導致低溫液體汽化時，其內部壓力會迅速升高。如果壓力超過設計壓力，可能會對容器本體造成損壞，甚至引發容器爆炸事故。因此，在設計低溫容器時，必須科學地選擇適當的安全閥型號，以確保容器內超壓氣體能夠有效泄放，從而保障設備本體的安全。

1低溫安全閥結構與材質分析

1.1結構分析

低溫安全閥必須確保低溫容器在工作期間能夠實現有效密封，特別是當容器內盛裝有毒有害或可燃介質時，密封性成為至關重要的參數。此外，在低溫設備出現壓差時，安全閥應能保證迅速泄放壓力。這些要求共同決定了安全閥的基本設計形式。為實現這些功能，通常在普通閥門的基礎上增加彈性部件，以便在設備超壓時閥門自動開啟。因此，針對設備內介質的特性進行結構分析和設計是必要的。

王慧穎等[1]開發了一種高壓低溫先導式安全閥。采用先導式安全閥結構，使類似彈簧式安全閥結構的控制閥連接類似大口徑氣動截止閥結構的主閥，由控制閥控制安全閥的開啟，截止閥來實現安全排放，使用這兩種閥門組合的形式實現安全閥的功能。

Ma等[2]針對在低溫情況下安全閥閥桿產生變形問題，采用形狀補償的方法對閥桿的尺寸和形狀進行了優化。首先采用熱固耦合有限元法計算了閥門的變形情況，然后提出了一種改進的位移調整方法重新設計閥門的形狀。該方法在常規形狀補償方法的基礎上，采用拉格朗日插值算法來識別補償幅度，并基于變形曲面法向量改變補償方向。最后通過實驗驗證了該方法的有效性。

汪朝陽等[3]對低溫低壓安全閥的膜片密封結構進行了設計。在該設計中，閥瓣組件與閥座間采用膜片軟密封結構，可以適用于低溫低壓工況下的嚴苛的工作環境，保證安全閥的密封性能，實現無泄漏，并且增大閥瓣組件與閥座間的密封中徑，增大介質對閥瓣組件的作用面積，提高了安全閥的開啟力，可以更好地適用于低壓工況。

以上研究都是基于安全閥本質狀態進行分析和改進，通過有限元的方式對閥桿、閥瓣等部件的受力情況進行分析從而給出相應的措施。這些研究主要關注安全閥本體的質量問題。然而，安全閥還有一個重要的功能，即能夠有效、及時地排放超壓介質，以確保設備的安全。因此，還需要采用流固耦合的方法對安全閥開啟后的流動特性進行研究。

Manimaran等[4]采用流固耦合的方式對先導式安全閥進行了動態特性試驗和數值模擬，分析了安全閥排放過程中介質的溫度、壓力以及氣流速度等參數的特征，研究了主閥排氣口和先導閥排氣口對閥門性能的影響。Lin等[5]采用流固耦合的方式計算了儲存LNG的閥門在開啟過程中LNG的排放特性，按LNG排放的時間順序給出了流體的具體形態，并分析了LNG排放過程對閥門的沖擊情況。Pinho等[6]對運載火箭液體推進系統中的一種低溫閥進行了實驗和數值表征。使用液氮和水作為工作液進行了兩個獨立的測量活動，得到了這兩種流體的體積流量與通過測試閥的壓降之間的特性關系。實驗結果表明，試驗閥的流量系數與提供單相流動條件的工作介質無關。

針對安全閥泄放過程的研究，Morris等[7]分析了液體的流動系數與安全閥泄放口之間的關系，并提出了一種新的安全閥計算模型。該模型是采用流體損失系數的方式進行描述的，能夠更好、更詳細地預測安全閥的泄放過程。

Muransky等[8]采用數值模擬的方式對安全閥泄放后噴嘴的殘余應力進行計算分析，發現數值模擬方法可以準確地預測噴嘴殘余應力的狀態，可以為優化安全閥設計提供可靠的技術手段。因此，采用流固耦合的數值計算方法為評估安全閥開啟壓力、密封性能、泄漏量及優化設計提供重要手段，有助于提高安全閥的校準精度、穩定性和可靠性。

1.2材質分析

安全閥所用的材質也是保證其安全、可靠運行的主要指標。目前，傳統安全閥普遍采用的是碳鋼，對于有耐腐蝕要求的一般會采用不銹鋼CF8、CF8M、CF3、CF3M等，而對于耐高溫的安全閥一般采用鉻鉬釩鋼。低溫安全閥材質主要是以不銹鋼、銅合金為主，對于材質要求較高的場合采用鈦合金。近年來對于安全閥新材質研發的報道相對較少，普遍是在現有材質基礎上進行調質或進行相應的低溫試驗，以獲得金屬在低溫狀態下的具體性能。

Jaswin等[9]分析了兩種閥門常用鋼的力學性能。在85 K進行了深冷處理（DCT），并與常規熱處理（CHT）的拉伸行為進行了比較，又分別在673 K和923 K下對EN-52和21-4N閥鋼進行了高溫拉伸試驗。結果表明，EN-52和21-4N DCT樣品的極限拉伸強度分別比高溫下測試的CHT樣品提高了7.87%和6.76%。在室溫和高溫下測試時，EN-52 DCT樣品的平均屈服強度比CHT樣品提高了11%。在優化條件下進行深冷處理，與未深冷處理的試件相比，EN-52的抗拉強度提高了7.84%，21-4N的抗拉強度提高了11.87%。斷口的掃描電子顯微鏡分析表明，深冷處理的樣品在晶面和界面上存在韌窩和微孔洞的合并。深冷處理的21-4N氣門鋼試件斷口呈完整的沿晶斷裂，晶間有較深的二次裂紋。從延伸率的結果來看，低溫處理樣品的延伸率下降幅度比CHT樣品的小。這說明深冷處理析出細小的二次碳化物是強度提高、延伸率降低的原因。

Viespoli等[10]對低溫閥門材質的延展撕裂進行了分析，對CF3M不銹鋼進行拉伸和扭曲實驗來表征合金閥桿的靜態失效行為，并采用有限元的方式對閥桿進行了標定，最終得出結論：試驗用閥桿的強度可以承受過載荷，閥桿上切口的幾何形狀對其承受的扭矩影響不大。

Liu等[11]對25#閥門的合金鋼進行深冷處理，分析了處理后材質的組織演變及力學性能，另外還分析DCT時間和循環次數對25#合金鋼組織演變和力學性能的影響。試驗結果表明，淬火后的組織為細小板條馬氏體，DCT后的組織為片狀馬氏體和殘余奧氏體。同時，殘余奧氏體相轉變為細小的板條馬氏體組織。DCT對材料的力學性能有明顯的影響。隨著DCT時間和循環次數的增加，材料的強度先增加后急劇下降，而應變則呈現相反的趨勢。最大屈服強度為1390 MPa，是原始試件屈服強度（441 MPa）的三倍；材料的硬度隨時間和循環次數的增加而略有下降，其最大值為52.6 HRC，提高幅度為28.9%；斷裂機制為典型的杯錐形韌性斷裂。經過DCT處理后，材料的線膨脹系數先減小后降低，滿足低溫閥鋼在低溫使用條件下的要求。

2低溫安全閥性能測試

低溫安全閥的性能測試與分析，是評估其在低溫環境下的開啟壓力、密封性能和泄漏量的關鍵工作。針對這一問題，研究人員可以采用多種技術手段進行測試與分析。

施曉敏[12]通過圖像處理技術捕捉安全閥泄漏時的噴射流體形狀，結合幾何形態分析和噴射流體動力學理論對泄漏量進行估算。這種方法具有較高的靈敏度和準確性，有助于實時監測安全閥的密封性能。該裝置包括壓力控制系統、流量測量系統、圖像采集與處理系統以及數據采集與分析系統。通過這些系統的協同工作，實現了對安全閥密封性能的在線監測和實時評估，并指出了安全閥密封性能的影響因素包括閥門開度、進口壓力、閥體材料等。通過對這些影響因素的研究，為優化安全閥設計和提高密封性能提供了理論依據。通過對不同類型和規格的安全閥進行測試，證明了所提出的數字化測試技術在實際應用中的可行性。

3低溫安全閥校驗裝置研究進展

安全閥離線校驗是指將安全閥從裝置上拆解下來進行校驗的方法。離線校驗是目前安全閥校驗中最常用的方法，通常在實驗臺上獲得安全閥的整定壓力。整定壓力是安全閥校驗的最主要檢測數據。為了滿足校驗的低溫和超低溫環境要求，通常選擇低溫氮氣和低溫氦氣作為安全閥校驗介質，并使用適應低溫的壓力傳感器進行數據采集。值得注意的是，安全閥在超低溫狀態下的整定壓力與常溫下存在差異，超低溫下整定壓力普遍增大。這主要是由于材料在低溫狀態下發生變形所致。因此，校驗臺能否更準確地復現安全閥實際工作狀態，是確保整定壓力準確性的重要因素。

對于低溫安全閥校驗裝置目前由于研究較少，校驗過程中也無法真實地復現安全閥的工作狀態，現行的《安全閥安全技術監察規程》（TSG ZF0001—2006）中建議采用低溫介質對低溫安全閥進行校驗，并實時監測介質溫度，使檢驗環境更趨近于安全閥的工作環境。雖然考慮了溫度對安全閥整定壓力的影響，但可操作性差，同時沒有給出所監測的低溫介質的具體溫度范圍，檢驗過程中產生的系統誤差依然存在。目前，對于低溫安全閥離線校驗裝置的開發相對較少。

朱健等[13]開發了一種低溫安全閥校驗臺，是將液氮罐的出口與安全閥利用法蘭進行對接連接，利用液氮汽化后的壓力對安全閥進行校驗。該方法簡單實用，但存在的問題也很突出。例如，由于液氮的壓力較低，校驗的安全閥整定壓力有限，因而理論上僅能檢驗壓力低于氮氣儲罐的安全閥；氮氣在常溫或封閉容器內氣化較慢，安全閥校驗時升壓過程耗時長，校驗效率相對較低。

劉晨等[14]開發了一種高壓低溫安全閥校驗裝置，為達到較高的校驗壓力，利用低溫液氮將高壓氮氣或空氣進行冷卻，使校驗介質達到規范中提出的低溫要求，從而實現對低溫安全閥校驗的目的。具體裝置見圖1。該方法解決了不能校驗高壓低溫安全閥的問題，但同時也存在校驗壓力與安全閥工作壓力不一致而導致起跳壓力存在偏差的問題。

4低溫安全閥常溫校驗修正

李博[15]測算出安全閥校驗整定的壓力與超低溫（-100℃）整定壓力偏差為0.5%～10.2%，校驗整定壓力差異率平均為3.26%。常溫的安全閥長期處于超低溫工況情況下，一般整定壓力會大于常溫整定值3.26%左右。所以，在低溫的工作環境下，需要對常溫時整定好的安全閥重新進行調整。該結論略顯粗糙，沒有給出不同材質、不同溫度下安全閥整體壓力具體的修正算法，同時閥瓣、閥桿、閥體所處的溫度不同，其膨脹量亦不同，這就導致安全閥的起跳壓力會發生變化。

5結束語

目前，隨著科技的不斷進步，新材料和智能化技術為低溫安全閥的研發和應用帶來了新的可能性，同時也對低溫安全閥校驗的準確性和可靠性提出了更高的要求。因此，基于大量安全閥檢驗大數據對原有檢驗過程進行優化，研制開發新型的低溫安全閥校驗臺，使其能夠適應特定的校驗介質溫度，已成為一項迫切的任務。此外，研究校驗介質溫度對安全閥整定壓力的影響，以及在常溫、校驗介質溫度下的修正系數也是目前應重點研究的方向。

參考文獻

[1]王慧穎，張華，張學軍.高壓低溫先導式安全閥的設計[J].機械工程師，2009（12）：95-96.

[2]MA J W，LI T L，JIA Z Y，et al.An improved displacement adjustment method for over-large deformation of valve at the cryogenic temperatures [J].Cryogenics，2023：103702.

[3]汪朝陽，鮑鮮宇，何葳，等.低溫低壓安全閥的膜片密封結構設計與仿真優化[J].壓力容器，2022，39（11）：47-55.

[4]MANIMARAN A，HIREMATH S S，SHEKHAR K P.Dy？ namic simulation and validation of a vent and safety valve for cryogenic flight tanks[J].Procedia Technology，2016，25：1320-1334.

[5]LIN Z H，LI J Y，JIN Z J，et al.Fluid dynamic analysis of liq？ uefied natural gas flow through a cryogenic ball valve in liq？ uefied natural gas receiving stations[J].Energy，2021，226（5）：120376.

[6]PINHO J，PEVERONI L，VETRANO M R，et al.Experimen？ tal and numerical study of a cryogenic valve using liquid ni？ trogen and water[J]. Aerospace science and technology，2019，93（2）：105331.

[7]MORRIS S D.Liquid flow through safety valves： Diameter ratio effects on discharge coefficients， sizing and stability[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries，1996，9（3）：211-224.

[8]MURANSKY O，SMITH M C，BENDEICH P，et al.Validat？ ed numerical analysis of residual stresses in Safety Relief Valve（SRV）nozzle mock-ups[J].Computational Materials Science，2011，50（7）：2203-2215.

[9]JASWIN A，DHASAN M L.Effect of cryogenic treatment on the tensile behavior of En 52 and 21-4N valve steels at room and elevated temperatures[J]. Materials Design，2011，32（4）：2429-2437.

[10] VIESPOLI L M，INGEBO P I，BERTO F.Ductile tearing of cryogenic valve components[J].Procedia Structural Integrity，2020，26（10）：293-298.

[11] LIU X，ZHAO C F，ZHAO K.Microstructure evolution and mechanical/physical properties of 25# valve alloys steel sub？ jected to deep cryogenic treatment[J].Vacuum，2019，160：394-401.

[12]施曉敏.安全閥密封性能數字化測試技術研究[D].無錫：江南大學，2018.

[13]朱健，王林，劉晨，等.一種低溫安全閥校驗臺：CN202210427460.7[P].2022-06-10.

[14]劉晨，趙增暉，王林，等.一種高壓校驗的低溫閥門校驗系統及方法：CN202310693778.4[P].2023-09-19.

[15]李博.超低溫安全閥常溫與低溫整定壓力差異研究[J].品牌與標準化，2014（10）：93-94.

作者簡介

劉晨，男，1983年出生，高級工程師，碩士，研究方向為特種設備安全。

李雨宸，男，2000年出生，碩士，研究方向為特種設備安全。

王林，男，1982年出生，高級工程師，博士，研究方向為特種設備安全。

高躍，女，1985年出生，工程師，碩士，研究方向為環境監測。

（編輯：劉一童，收稿日期：2024-07-04）