超低温调节阀设计与试验

母文豪, 付 豪

(艾坦姆流体控制技术(山东)有限公司， 山东济宁 272000)

对于调节阀来说，密封是设计需要考虑的首要条件，合理的结构是避免泄漏的先决条件。根据当前国际形势与国内能源发展的需求，在空分行业和天然气液化行业推进超低温调节阀国产化迫在眉睫。超低温调节阀是一种在-100 ℃介质中工作的阀门。随着国内经济飞速发展，低温产品需求量及产量日渐增长，液氧、液氮、液氦及液化天然气等被广泛应用。液氦的温度为-254 ℃，液氮的温度为-196 ℃，液氧的温度为-183 ℃，液化天然气的温度为-162 ℃，这些产品的分馏、储存和运输都需要使用大量的超低温阀。超低温调节阀的用量逐渐增大，用户对超低温调节阀的技术性能要求也在逐渐提高。

1 工作原理

超低温调节阀主要由阀体、支座、上阀盖、阀座、阀芯、套管等组成(见图1)，通过阀芯实现对介质流量和压力的调节。在低温工况下，阀体与执行机构间必须有足够的距离，通过延伸的支座可以避免填料函结冰。双壁的设计结构能有效地减少热传递，延伸的长度可以根据工况的要求决定，可采用波纹管密封及其他结构适当降低延长支座的长度。

1—阀体； 2—支座； 3—上阀盖； 4—阀座； 5—阀芯； 6—套管。

2 密封结构

2.1 材料

材料的选择需要考虑2个条件：

(1) 材料在低温条件下能够保证足够的韧性，防止在低温下发生脆裂。

(2) 材料在低温条件下能够保证足够的稳定性，防止在低温下发生变形。

随着温度的降低，大多数钢材的强度有所增加，而韧性下降。金属材料在低温下呈现的脆性称为冷脆性，材料由延性破坏转变到脆性破坏的温度称为韧脆转变临界温度。为防止发生低温脆性破坏，钢材的最低允许工作温度应高于韧脆转变临界温度。

具有面心立方晶格结构的奥氏体不锈钢(如304、304L、316、316L等)没有韧脆转变临界温度，不会发生低温脆性破坏，在低温条件下，仍然能保证足够的韧性，但这类钢材在室温下处于亚稳定状态，在低温下容易发生相变。

奥氏体不锈钢在马氏体转变温度时，部分奥氏体由于变成马氏体而引起体积变化，导致零件变形，这是引起阀门泄漏的一个重要原因。深冷处理可以将马氏体相变提前进行,因此超低温调节阀应选用稳定性较高的材料并进行相适应的深冷处理[1]。

2.2 密封结构

常规调节阀密封常采用平面密封(见图2)。在超低温工况下，由于各零部件材料的热膨胀系数、密封件在超低温工况下的压缩量的不同，阀门容易泄漏，所以密封结构的设计极为重要。在平面密封的基础上增加泛塞封，泛塞封起主要密封，密封垫片起次要密封，密封结构的可靠性大大提高。改进后的密封结构见图3。

图2 通用密封

1—支座(上盖)；2—阀体(支座)；3—密封垫；4—泛塞封。

3 检验

3.1 检验方法

超低温调节阀应在常温及超低温环境下均满足密封要求，常温试验使用氮气进行初始密封检测。阀门低温试验装置见图4[2-3]。

图4 阀门低温试验装置

3.2 阀座密封要求

调节阀泄漏等级为Ⅳ、Ⅴ级时，常温状态下的试验使用0.35 MPa氮气进行密封试验，并依据GB/T 4213—2008 《气动调节阀》中规定的Ⅳ、V级标准泄漏量进行核验。超低温状态下的试验则使用0.35 MPa氦气在阀门低温试验装置(见图4)中进行密封试验;氦气的分子量与氮气相差很大，易渗漏，由于GB/T 4213—2008标准泄漏量计算公式中未涉及分子量的影响，所以使用GB/T 4213—2008计算泄漏量显然是不行的，而GB/T 24925—2019 《低温阀门 技术条件》标准泄漏量计算公式未区分Ⅳ、V级，所以使用GB/T 24925—2019计算泄漏量显然也是不行的[1,4-5]。

GB/T 17213—2015 《工业过程控制阀》的泄漏量计算公式中指出了分子量、温度对泄漏量的影响，所以在超低温条件下试验阀座密封应借鉴GB/T 17213—2015。Ⅳ级泄漏量的计算公式[1,4-5]如下：

(1)

式中：qV为体积流量；N为数字常数；FP为管道几何形状参数；C为流量系数;p1为阀前静压力；Y为膨胀系数；x为压差与入口绝对压力之比；T1为入口绝对温度；Z为压缩系数;M为分子质量。

4 结语

该超低温调节阀结构经实际验收，在超低温环境下密封可靠；经过实际对比，该超低温调节阀在超低温环境下的标准泄漏量满足GB/T 17213—2015要求。