1　前言
        低溫閥門通常是指工作溫度在-40℃以下的閥門，隨著空分、液化天然氣、乙烯石化等工業(yè)的發(fā)展，近年來，低溫閥門的市場需求逐年上升，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。低溫閥門已成為閥門產(chǎn)品中的一個重要分支，而閥門的低溫試驗裝置是低溫閥門生產(chǎn)過程中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備，完整的、符合要求的閥門低溫試驗裝置不僅是低溫閥門生產(chǎn)和質(zhì)量控制的保證，同時，也是低溫閥門生產(chǎn)能力的重要象征。
        2　低溫閥門及其低溫試驗裝置
        2.1　低溫閥門
        低溫閥門通常按其工作溫度分類，-100-40℃的稱為低溫閥門，-100℃以下的稱為超低溫閥門，低溫閥門的工作溫度主要取決于其介質(zhì)溫度，表1列出了常見介質(zhì)的氣體液化溫度，從其中的分布溫度來看，低于-100℃的工況環(huán)境，目前應(yīng)該受到高度重視。

表1　常用氣體的液化溫度 （℃）

        低溫閥門的主要品種有：閘閥、截止閥、止回閥、球閥和蝶閥等。低溫閥門一般都采用長頸閥蓋結(jié)構(gòu)，以保證填料函底部溫度保持在0℃以上，防止填料凍結(jié)。結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)考慮由于溫度變化引起的結(jié)構(gòu)變形和介質(zhì)異常升壓現(xiàn)象，以保證密封性能和強(qiáng)度安全為主要原則。低溫閥門材料選擇要依工作溫度而定，一般來說，-100℃以上，主體材料采用低溫碳鋼，-100℃以下要選擇奧氏體不銹鋼。密封和緊固件也要依據(jù)工作溫度的不同，選擇合適的材料以保證有效的機(jī)械性能。
        2.2　閥門低溫試驗裝置
        閥門低溫試驗裝置主要用來進(jìn)行低溫閥門零部件深冷處理和閥門低溫型式試驗。
        有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，工作溫度低于-100℃的低溫閥門，其主要零部件在精加工前應(yīng)進(jìn)行深冷處理，目的是減少由于溫差和金相組織改變而產(chǎn)生的變形。低溫試驗主要是檢驗在低溫工作環(huán)境下，低溫閥門的整機(jī)性能，這是一項要定期進(jìn)行的工作。
        目前，低溫環(huán)境主要是通過熱力循環(huán)或低溫介質(zhì)（通常是低溫液體吸收氣化潛熱）方式獲得，但-100℃以下的深冷環(huán)境通常只能通過低溫液體浸漬法獲得，由于液氮的溫度位合適（-196℃）、來源廣泛、無污染、價格便宜而得到廣泛應(yīng)用。采用液氮作為冷媒介質(zhì)時，可以通過加入一定比例的酒精來獲得不同的溫度位。
        3　深冷處理與低溫試驗
        3.1　深冷處理
        深冷處理工藝在閥門行業(yè)主要適用于工作溫度低于-100℃的超低溫閥門零部件，在這個溫度段的用材主要以F304、F304L、F316和F316L等Cr-Ni奧氏體不銹鋼為主，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比面心立方晶格的奧氏體具有更大的比容，低溫相變后會引起體積膨脹而導(dǎo)致零件變形。
   此外，溫度降低還會造成金屬結(jié)構(gòu)的收縮，由于零件各部分收縮不均勻，就產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超出了材料的屈服極限時，零件將產(chǎn)生不可逆的永久變形。深冷處理可以使相變和變形充分發(fā)生，然后，通過精加工使零件保持組織和尺寸的相對穩(wěn)定。具體方法是：將零件浸放在液氮中，當(dāng)溫度達(dá)到-196℃時開始保溫1～2h，然后取出，自然恢復(fù)到常溫，重復(fù)循環(huán)2次。有關(guān)研究資料表明，深冷處理還有強(qiáng)化材料機(jī)械性能的效果，鋼鐵材料在經(jīng)過深冷處理后，強(qiáng)度和硬度有所提高。主要是由于：（1）殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，從而提高強(qiáng)度和硬度；（2）從馬氏體中析出超細(xì)碳化物，從而彌散強(qiáng)化；（3）組織細(xì)化，從而引起材料的強(qiáng)硬化。并且認(rèn)為：二次深冷處理效果*佳，因為第二次處理時材料仍能發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化，但是此后的多次處理就不再有明顯變化 。
        3.2　低溫試驗
        目前，閥門低溫試驗所執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)主要是：JB/T7794、BS6364等。在低溫試驗前，閥門應(yīng)進(jìn)行去油脂和干燥處理，因為油脂和水分在低溫環(huán)境下會變成堅硬的固態(tài)物質(zhì)，造成閥內(nèi)結(jié)構(gòu)損傷。將閥門和試驗裝置連接好以后，在常溫和*大工作壓力下，使用氦氣做初始檢測試驗，確保各部位連接的緊密性。在閥門降溫的過程中要保持閥內(nèi)始終有氦氣流通，以帶走降溫過程中可能形成的濕氣。整個試驗過程要在低溫試驗槽內(nèi)完成，閥門整體浸入液氮或液氮與酒精的混合液中，液面高度應(yīng)達(dá)到閥蓋頸部位置。當(dāng)各部位溫度達(dá)到規(guī)定的要求時，即可開始試驗。低溫試驗的內(nèi)容主要是按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測閥門在低溫狀態(tài)下的密封和操作性能，其間還要做若干次的開關(guān)操作，一定要注意人員的安全防護(hù)，要注意工作環(huán)境的通風(fēng)和低溫區(qū)域的警示、隔離。要重視對試驗結(jié)束后工作場所的善后防護(hù)。
        4　閥門深冷試驗裝置設(shè)計
        所討論的低溫閥門深冷試驗裝置設(shè)計方案基于現(xiàn)代測控技術(shù)，考慮了目前主要的低溫閥門產(chǎn)品分布。方案的提出有實際的工程應(yīng)用基礎(chǔ)。
        4.1　低溫系統(tǒng)
        低溫系統(tǒng)由低溫儲罐、低溫試驗槽、真空連接管道，低溫控制閥等組成，如圖1所示。

圖1　低溫系統(tǒng)

        低溫試驗槽的設(shè)計是本系統(tǒng)的重點，試驗槽的尺寸要依據(jù)產(chǎn)品規(guī)格合理配置，以公稱通徑24in（600mm）、公稱壓力600磅的閘閥為例，結(jié)構(gòu)長度1407mm，法蘭外徑1000mm，底部至閥蓋殼體約1600mm。閥體兩端安裝墊環(huán)、盲板、螺栓螺母等長度約為1760mm，加上余量，內(nèi)膽尺寸為2000mm，寬1600mm，高度加墊塊、固定板后約1800mm、液面至槽口安全高度約200mm。低溫槽外形尺寸（長、寬、高、保溫層厚度）為2500mm、2100mm、2000mm、250mm。箱體承重可達(dá)2.5t/m2（設(shè)起吊環(huán)）。內(nèi)腔側(cè)板采用5mm304板，底板為7mm304，底座框架，外板為2mm304板。內(nèi)外腔充填A(yù)、B雙組分聚合物高保溫材料。箱體和箱蓋總重量為2.5～2.8t。表2為不同規(guī)格的試驗槽設(shè)計尺寸。

表2　試驗槽要求

        低溫試驗槽應(yīng)設(shè)計成敞口雙層結(jié)構(gòu)，以方便試件吊裝，但要配有保溫上蓋，內(nèi)膽要有足夠的壁厚以承受可能產(chǎn)生的吊裝沖擊，底部要設(shè)置固定結(jié)構(gòu)，防止試驗中閥門的整體轉(zhuǎn)動。內(nèi)、外壁間填充高保溫聚合物發(fā)泡材料，形成中間“絕熱層”，內(nèi)、外壁之間的傳熱方式主要是“熱傳導(dǎo)”，因此，其間的加強(qiáng)筋要設(shè)置“傳熱斷橋”，防止隨筋板產(chǎn)生的“熱傳導(dǎo)”，隔熱筋板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　隔熱筋板結(jié)構(gòu)

        試驗槽半埋入地，以方便操作，利于保溫，提高安全性。低溫儲罐與試驗槽間及各試驗槽間以真空管道相連，以方便補(bǔ)液和合理利用殘液。管道設(shè)計要結(jié)合現(xiàn)場情況，合理安排切換閥組并加裝安全閥。
        4.2　壓力管路系統(tǒng)設(shè)置
        壓力管路系統(tǒng)的目的是為了滿足在低溫狀態(tài)下的閥門性能試驗。壓力管路系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　壓力管路系統(tǒng)

        壓力管路系統(tǒng)由蛇形壓力管（DN6～10）、針型閥、氣體增壓泵、控制管網(wǎng)、承壓盲板等組成，主要測試內(nèi)容是閥門密封及低溫操作性能，深冷狀態(tài)下的試驗介質(zhì)以氦氣為宜（氣態(tài)氮氣回到高壓深冷環(huán)境后會產(chǎn)生二次液化）。出于經(jīng)濟(jì)上的考慮，對于大通徑、高壓力閥門的低溫試驗，應(yīng)考慮貴重試驗介質(zhì)的重復(fù)使用，氣體增壓泵前后要設(shè)計正、反向切換回路，便于貴重試驗介質(zhì)回收，氦氣可回收增壓回路如圖4所示。出于安全上的考慮，控制閥組盡可能引入操作控制室，避免長時間的現(xiàn)場操作。
        4.3　測控系統(tǒng)
        測試及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由上位機(jī)、壓電變送器、軟式鎧裝鉑電阻、高精度流量計、智能顯示儀、積算儀、針形閥、酒精計泡器、氦質(zhì)譜檢漏儀以及采集電路等組成，如圖5所示。測量參數(shù)包括：冷媒溫度，閥體、閥蓋、閥桿、填料、密封件溫度，介質(zhì)壓力，泄漏量等。所選測試儀器應(yīng)能適應(yīng)-196℃以下工作環(huán)境。參數(shù)測量采用現(xiàn)場二次儀表與計算機(jī)遠(yuǎn)傳采集相結(jié)合。壓力參數(shù)經(jīng)壓力變送器傳送入智能數(shù)字顯示儀，流量參數(shù)經(jīng)流量計（精度≤0.01mL/s）傳送入智能流量積算儀，溫度參數(shù)經(jīng)PT100鉑電阻變送器傳送入智能數(shù)字顯示儀，各儀表實時顯示待監(jiān)控參數(shù)，并將各參數(shù)通過RS232/485傳輸入上位機(jī)，供上位機(jī)監(jiān)控分析軟件計算分析數(shù)據(jù)。壓力管路控制閥門及電氣控制開關(guān)引入控制室，實時數(shù)據(jù)顯示、現(xiàn)場打印、遠(yuǎn)程監(jiān)測。

圖4　氦氣可回收增壓回路

圖5　測控系統(tǒng)

        上位機(jī)（工控機(jī)）：負(fù)責(zé)接收智能數(shù)字顯示儀和智能流量積算儀傳送的信號，通過組態(tài)實現(xiàn)試驗監(jiān)控，并判斷結(jié)果，形成試驗參數(shù)曲線及報告。
        5　結(jié)語
        深冷處理和低溫試驗是低溫閥門生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié)，而合格的低溫試驗裝置是這項工作正常進(jìn)行所必須的設(shè)備保證。
        低溫試驗裝置的建設(shè)要考慮：試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的適應(yīng)，操作流程的合理，測量參數(shù)的準(zhǔn)確，工作場所的安全，以及冷媒、試驗介質(zhì)的消耗和綜合利用等。