浅谈低温阀门设计应注意的事项

摘要：介绍了设计低温阀门时需要注意的事项，阐述了奥氏体不锈钢组织中易发生马氏体转变的几点原因，并对低温阀门特有的结构进行了论述，为广大用户和設计人员选择、使用和设计低温阀门提供了参考。

关键词：低温阀门;设计;结构;奥氏体稳定性系数

中图分类号：TH134    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）02-0080-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.02.022

0    引言

随着我国工业的迅猛发展，低温领域产品的应用逐渐增多，如石油化工、医药、军工、清洁能源等行业，都会使用到大量的低温设备和低温阀门，低温阀门是设备中关键的控制单元，其安全稳定运行是保证系统正常生产的基础条件。低温介质因其特殊性，对低温阀门的产品质量提出了更严格的要求。

1    产品设计标准

近年来，我国低温领域阀门的产品设计标准规范越来越齐全。从表1可以看出，在国际上大多数的低温阀门标准中，通常把工况温度低于-50 ℃的列为低温阀的范畴，而国内标准则是工况温度低于-29 ℃就已经被纳入低温阀的范畴了。不同的产品设计标准存在着不同的技术要求，产品设计标准正文中会给出此标准所适用的公称压力、公称尺寸、温度范围、介质、类型等信息，用户或设计人员在采购、设计相关低温阀门时，应首先根据自己所需阀门的行业及工况选择合适的产品设计标准。

2    材料的选择及处理

大多数金属和非金属材料在低温下其韧性会有所下降，温度越低，韧性越差。判断低温阀门承压件材料好，不仅需要其具备良好的化学成分配比、合适的热处理工艺、较高的力学性能，还有一个重要考核指标就是材料的低温冲击值。而低温冲击试验是检验材料在低温下韧性好坏的主要依据，低温冲击试验的试验温度一般为材料的最低使用温度。

对于使用温度低于-101 ℃的低温阀门，通常最理想、经济的承压件材料就是奥氏体不锈钢，国内常用的材料有304、304L、316、316L四种。

但奥氏体不锈钢在冷加工工艺制造过程中及低温环境下，易促进材料内部分奥氏体组织转变为马氏体组织，即发生马氏体转变。马氏体组织的转变将直接影响奥氏体不锈钢在低温下的稳定性，即产生的马氏体单位体积比奥氏体大约1.7%[1]，因此转变将引起体积增大，使材料出现塑性变形，从而破坏原有设计结构，导致阀门内漏或外漏。材料冷却到某一温度时开始发生马氏体转变，称该温度为马氏体临界转变温度Ms（单位为oF），其可通过以下经验公式[2]预测：

Ms=75（14.6-Cr）+110（8.9-Ni）+60（1.33-Mn）+

50（0.47-Si）+3 000[0.068-（C+N）]  （1）

如果材料的Ms点远低于阀门的最低使用温度，则认为材料在低温下是稳定的，如果材料的Ms点临近或高于阀门的最低使用温度，则需要材料在精加工前通过不少于两次深冷处理的方式，提前促使残余奥氏体向马氏体转变，使转变和变形充分进行后再进行精加工，以满足材料在低温下的稳定性。

冷加工也是导致奥氏体组织转变为马氏体组织及奥氏体产生磁性的主要因素之一，通过经验公式预测材料的MD30（材料在30%冷变形作用下产生50%马氏体的温度，单位为oF）点，来判断材料是否有冷加工奥氏体转变马氏体的倾向。如果MD30点远低于常温，则奥氏体不锈钢在冷加工时就不会产生马氏体，此值越小，磁性也越低。

MD30=413-462（C+N）-9.2Si-8.1Mn-

13.7Cr-9.5Ni-18.5Mo[2]      （2）

相变点Ms、MD30是预测奥氏体不锈钢材料在低温下及冷加工时产生马氏体组织的方法。还可以查看舍夫勒组织图（图1），利用铬和镍当量计算焊接时焊缝和铸造奥氏体不锈钢内的组织成分以及通过计算奥氏体稳定性系数（Δ）来对奥氏体不锈钢组织、性能进行综合判定。

铬和镍当量的计算公式如下：

Creq=%Cr+%Mo+1.5%Si+0.5%Nb       （3）

Nieq=%Ni+30%C+0.5%Mn           （4）

奥氏体稳定性系数（Δ）计算公式如下：

Griffith和Wright计算公式：

Δ=Ni-[（Cr+1.5Mo-20）2/12-

0.5Mn-35C-Cu-27N+15]         （5）

修改后Post and Eberly计算公式：

Δ=Ni+0.5Mn+35C-0.083 3（Cr+1.5Mo-20）2-12 （6）

如果Δ计算结果为负数，则表示当发生严重应变时，奥氏体向马氏体转变的趋势很大。300系列不锈钢中的镍含量超过10.5%时，Δ通常为正值，材料是稳定的[2]。

304、304L均属于亚稳定奥氏体不锈钢，国外低温阀门厂家大多会采用316奥氏体不锈钢或316/316L双证奥氏体不锈钢作为阀门承压件，316/316L双证奥氏体不锈钢即化学成分符合316L要求，力学性能满足316不锈钢要求。316L与316的化学成分区别在于，316L具有较低的碳含量，使其具有更好的耐晶间腐蚀能力，有利于减少焊接过程中碳化物的析出，且具有较高的镍元素含量上限。

3    结构设计

3.1    冷箱与非冷箱阀门

冷箱通常是指为了保证低温设备的保冷效果，将低温设备及其管道置于一个或多个充填有绝热材料的“箱体”中，以实现绝热。其分为圆柱形冷箱、方形冷箱，如图2所示。

为了便于操作管理和维护，要求在冷箱内的低温阀门其阀杆填料函底部必须延伸至冷箱面板外部，其底部温度须高于0 ℃，以保证填料的密封性能，且能在冷箱不扒砂的情况下抽出阀芯进行维修[3]。典型的冷箱用阀门如图3所示，图中H值为管道中心到冷箱面板的距离，H1为管道中心到填料函底部的距离。对于除冷箱以外的低温阀门，统称为“非冷箱低温阀门”。

3.2    阀盖加长颈

设计低温阀门时，需要对阀盖颈部进行加长设计，目的是保证填料处不会因为低温介质的温度传导而导致填料部位出现结冰的现象。填料处一旦结冰，阀门动作时极有可能破坏密封，造成阀门填料函处介质的外漏。

值得注意的是，标准GB/T 24925—2019、JB/T 12621—

2016、BS 6364：1984、MSS SP-134—2012及壳牌规范MESC SPE 77/200—2019等均对阀盖加长颈的最低高度给出了规定，设计人员在设计使用时不能盲目直接采用，因为其给出的最低值可能并不满足所有工况下的相应需求，设计人员最好根据阀门的结构、工况条件、安装时的角度和位置及保温层包覆等情况通过有限元软件进行模拟分析，以确定适合自身工况的颈部加长高度。加长颈部分可以与阀盖一体铸造或锻造，也可以采用性能不低于本体材料的无缝钢，用全焊透方式与阀盖对焊，焊后须进行射线检测，以保证焊缝质量。

为了确保阀盖加长颈结构设计是有效的，阀门安装时应符合标准安装角度的要求：传输液态介质的阀门、非冷箱用阀门，应能在地面上以与地面成不小于45°的方向操作阀杆;冷箱用阀门，应能在地面上在与地面成15°～90°的方向内操作阀杆[4]，如图4所示。

3.3    隔离滴盘

非冷箱阀门，一般需要在阀门壳体外部另外包覆保温材料，保温材料包覆好后，露出保温材料的阀盖加长颈及以上部分。由于与外部的空气进行热交换，其壁面温度低于外部空气露点温度，空气中所含的水蒸气会在壁面析出结露形成冷凝水，如果无预防措施，冷凝水会顺着露出保温材料的阀盖加长颈部分进入到保温材料内部，從而破坏保温材料内部的保冷度，造成保温层下的腐蚀（CUI）。为避免上述问题的发生，可在露出保温材料的阀盖加长颈部分焊接一隔离滴盘，使得冷凝水顺着隔离滴盘外圆滴落，防止冷凝水直接进入保冷层，避免或减少上述问题的发生，且隔离滴盘还可以起到类似散热片的作用。

在有足够空间包覆保温层材料的情况下，隔离滴盘在阀盖加长颈位置的设计应尽量靠近阀盖中法兰一侧。GB/T 24925—2019、JB/T 12621—2016及壳牌规范MESC SPE 77/200—2019均对此高度做出了要求。

3.4    超压泄放

对于有双阀座结构的低温阀门，如低温闸阀、低温球阀等，应有泄压孔或自泄压措施，能够在中腔压力升至不大于1.33倍CWP（冷态工作压力）时，及时将介质泄放回上游高压侧管路中去（合同另有规定的除外），且阀门的外部应有泄压方向的标识。因为当阀门关闭后，系统停车或检修时，阀门壳体温度逐渐升高，残留在双阀座间腔体内的液体介质会从环境中大量吸热并迅速气化，瞬间产生很高的压力，造成潜在的安全风险。

3.5    耐火性能及防静电设计

当使用介质具有易燃易爆特性或阀门使用环境有防火要求时，为降低火灾时对阀门结构及密封的影响，低温阀门应具备阻止火势蔓延，延缓泄漏的特性。即对于软密封副的低温阀门来说，其需要考虑当软密封副材料被烧损时，有延缓内漏的结构设计。对于可能造成介质外漏的密封垫片或填料，应优先考虑耐烧温度更高、能力更强的材料，如柔性石墨等。

对于介质易燃易爆的软密封副低温阀门，除应具备耐火能力外，还应具备内部静电导通的能力，防止由于摩擦造成内部静电聚集产生火花，与介质反应造成燃烧或爆炸的情况。

3.6    其他特殊要求

对于安装于移动式压力容器上的低温阀，如LNG船、液化气罐车等，除满足上述要求外，还需要考虑振动对其的影响，阀门应具备耐振动性，并符合相应标准的要求。

4    检验与试验

阀门选型、选材是否正确，结构设计是否合理，是确定其能否成为优质产品的先决条件，但决定性因素在于阀门能否顺利通过产品最终的压力试验，最终的压力试验也是决定阀门能否作为产品出厂交付给用户的必备环节。

对于普通阀门来说，在常温状态下按标准对阀门进行压力试验，其各项性能指标符合标准即可出厂。但对于低温阀门来说，在常温状态下的压力试验结果并不能完全代表其在低温状态下的真实数据，所以为了保证低温阀门交付客户安装后的使用性能，除了对低温阀门进行常温试验外，还需要对低温阀门进行低温型式试验。

国内通常采用外部喷淋、浸泡冷却等低温试验方式，通过冷媒介质液氮、冷却气体或液氮+酒精的混合液，喷淋放置于低温试验槽内的阀门外表面，或将阀门放置于冷媒介质中直至冷媒介质完全覆盖法兰阀盖上端面，当阀门逐步降低至试验温度，待温度稳定后，阀门内部通入相应试验压力的高纯度（97%以上）氦气或90%氮气+10%氦气的试验介质，通过计泡器、氦质谱检漏仪来检测阀门的内外漏情况，如图5所示。

但这种外部冷却法的低温试验装置，与低温阀门实际安装在管路上内部输送低温介质的使用工况可能还有所不同，例如，外部浸泡冷却法将阀门置于试验容器中，当合上保温箱盖时，试验容器内部均具有较低的温度，箱内的导热系数较低，包括箱内阀盖加长颈的一部分，可看作加长颈的温度梯度传导从保温箱盖平面处才开始发生明显变化，且阀门在箱内的放置高度也成为影响因素之一。再者，外部浸泡冷却法的降温为极速冷却，降温速率无法控制，与阀门实际工况相悖，这种冷却方式使得阀门壳体外表面首先降至最低试验温度，可能破坏原有阀门内部零部件的设计配合模式，无法真实地反映设计理念。

从上面一些例子可以看出，外部冷却法并不是最为理想且能真实反映阀门使用情况的低温试验方法。目前国内的合肥通用机械研究院有限公司已经设计完成了低温阀门内冷循环试验装置，该装置的试验方法与低温阀门在管道上的运行状态基本一致，更为科学，已投入到相关阀门生产企业的试验检验当中，并取得了良好的检验试验效果。

5    结论

设计、采购低温阀门时，首先必须选择适合自身工况的低温阀门标准，这是非常关键的，不合适的标准会导致不匹配的结构设计，特别是在工况温度处于-49～-30 ℃时，由于国内外低温阀门标准的初始温度并不统一（表1），在这一温度段执行外标的进口阀门与执行国标的国产阀门设计结构上存在较大差异，如低温闸阀与浮动球阀泄压孔的设计，按照国标GB/T 24925—2019的要求≤-29 ℃就需要设置，一旦设置了泄压孔，低温閘阀与浮动球阀即从双向密封变为单向密封，阀体也会标记有流向箭头，如果管线原设计阀门需要双向密封，那么就需要额外增加阀门数量来满足要求;而外标泄压孔的设置一般要求为≤或<-50 ℃，如表2所示。

再者，阀门设计单位大多注重阀门结构性设计，忽视了低温材料的基础性研究，不同成型方式、元素含量、热处理方式、加工工艺都会对材料在低温下产生不同的影响，最终影响到低温阀门的整体性能。

最后，应通过科学合理的检验、试验手段，最终获得理想的设计结果。

[参考文献]

[1] 陈国邦，黄志秀.低温下奥氏体不锈钢的马氏转变[J].低温工程，1992（1）：23-27.

[2] HYDROGEN PIPELINE SYSTEMS：EIGA IGC Doc 121/14[S].

[3] 空气分离设备用低温截止阀和节流阀 技术条件：JB/T 9081—2016[S].

[4] 低温阀门 技术条件：GB/T 24925—2019[S].

[5] 低温介质下的阀门规范：MESC SPE 77/200—2019[S].

收稿日期：2021-10-12

作者简介：陈星（1986—），男，湖北宜昌人，工程师，从事阀门新产品研发和科研管理工作。