低温阀门深冷试验技术研究

低温阀门深冷试验技术研究 合肥通用机械研究院报告人：朱绍源

概述： • 低温阀门通常是指工作温度在-40℃以下的阀门。 • 由于空分、液化天然气、乙烯石化等工业的发展，近年来，低温阀门的市场需求逐年上升，应用领域也越来越广泛，低温阀门已成为阀门产品中的一个重要分支。 • 而阀门的低温试验装置是低温阀门生产过程中不可或缺的关键设备 • 完整的、符合要求的阀门低温试验装置不仅是低温阀门生产和质量控制的保证，同时，也是低温阀门生产能力的重要象征。

低温阀门： • 低温阀门通常按其工作温度分类，-100℃~-40℃之间的称为低温阀门，-100℃以下的称为超低温阀门，低温阀门的工作温度主要取决于其介质温度。 • 低于-100℃的工况环境，目前应该受到高度重视。

气体液化温度:

阀门低温试验装置： • 阀门低温试验装置主要用来进行低温阀门零部件深冷处理和阀门低温型式试验。 • 有关标准规定，工作温度低于-100℃的低温阀门，其主要零部件在精加工前应进行深冷处理，目的是减少由于温差和金相组织改变而产生的变形。 • 低温试验主要是检验在低温工作环境下，低温阀门的整机性能，这是一项要定期进行的工作。

低温环境获得： • 目前，低温环境主要是通过热力循环或低温介质（通常是低温液体吸收气化潜热）方式获得，但-100℃以下的深冷环境通常只能通过低温液体浸渍法获得，由于液氮的温度位合适（-196℃）、来源广泛、无污染、价格便宜而得到广泛应用。采用液氮作为冷媒介质时，可以通过加入一定比例的酒精来获得不同的温度位。

深冷处理： • 深冷处理工艺在阀门行业主要适用于工作温度低于-100℃的超低温阀门零部件，在这个温度段的用材主要以F304、F304L、F316和F316L等Cr-Ni奥氏体不锈钢为主，这些材料都属于亚稳定型不锈钢，在低温下会发生向马氏体的金相转变，由于体心立方晶格的马氏体比面心立方晶格的奥氏体具有更大的比容，低温相变后会引起体积膨胀而导致零件变形。 • 此外，温度降低还会造成金属结构的收缩，由于零件各部分收缩不均匀，就产生了温度应力，当温度应力超出了材料的屈服极限时，零件将产生不可逆的永久变形。 • 深冷处理的目的就是使这些相变和变形在精加工之前充分发生，以保证成品零、部件的结构稳定。

面心立方晶格（奥氏体） 体心立方晶格（马氏体）晶格结构对比：

低温试验： • 阀门低温试验是检验低温阀门在低温环境下的性能，以对低温阀门整机性能作出评价。 • 目前，阀门低温试验所执行的标准主要是：JB/T7794、BS 6364等。 • 低温试验的主要内容有：检验密封件、填料、上密封等处的密封情况；整机带压工况的操作性能等。检测参数有：阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、填料函、冷媒及环境温度；阀门出口端的瞬间流量、累积流量和平均流量；试验介质压力极其变动情况。

低温系统设计： • 低温系统由低温储罐、低温试验槽、真空连接管道，低温控制阀等组成，低温试验槽的设计是本系统的重点，试验槽的尺寸要依据产品规格合理配置。 • 低温试验槽设计成敞口双层结构，以方便试件吊装，但要配有保温上盖，内胆要有足够的壁厚以承受可能产生的吊装冲击，底部要设置固定结构，防止试验中阀门的整体转动。 • 内、外壁间填充高保温聚合物发泡材料，形成中间“绝热层”，内、外壁之间的传热方式主要是“热传导”，因此，其间的加强筋要设置“传热断桥”，防止随筋板产生的“热传导” • 低温储罐与试验槽间及各试验槽间以真空管道相连，以方便补液和合理利用残液。管道设计要结合现场情况，合理安排切换阀组并加装安全阀。

低温系统原理图：

隔热筋板：

低温试验槽外形：

低温试验槽：

低温槽支撑结构：

压力管路系统设计： • 压力管路系统由蛇形压力管（DN6~10）、针型阀、气体增压泵、控制管网、承压盲板等组成。 • 深冷状态下的试验介质以氦气为宜（气态氮气回到高压深冷环境后会产生二次液化）。 • 出于经济上的考虑，对于大通径、高压力阀门的低温试验，应考虑贵重试验介质的重复使用，气体增压泵前后要设计正、反向切换回路，便于贵重试验介质回收。 • 出于安全上的考虑，控制阀组尽可能引入操作控制室，避免长时间的现场操作

压力管路系统原理图:

增压回路（介质可回收）

电控操作面板：

测控系统设计： • 测试及数据采集系统由上位机、压电变送器、软式铠装铂电阻、高精度流量计、智能显示仪、积算仪、针形阀、酒精计泡器、氦质谱检漏仪以及采集电路等组成。 • 测量参数包括：冷媒温度，环境温度，阀体、阀盖、阀杆、填料、密封件温度，介质压力，泄漏量等。 • 所选测试仪器应能适应-196℃以下工作环境。 • 参数测量采用现场二次仪表与计算机远传采集相结合。 • 各仪表实时显示待监控参数，并将各参数通过RS232/485传输入上位机。 • 上位机通过组态程序实现试验监控，并判断试验结果，形成试验参数曲线和试验报告。

测控系统原理图：

上位机总控界面：

总控操作台：

创新点： 本项目首次提出： • 完整的低温阀门深冷试验装置设计方案。 • 要考虑冷媒的综合利用。 • 充分考虑并已实现了贵重试验介质的回收及重复使用。 • 设计并研制成功了高精度、智能化低温测控系统。

结论 • 本项目研究的是阀门行业第一套数字化、智能型低温阀门深冷试验装置。国内首创。 • 深冷处理和低温试验是低温阀门生产过程中的重要环节，而合格的低温试验装置是这项工作正常进行所必须的设备保证。 • 低温试验装置的建设要考虑：试验标准规范的适应，操作流程的合理，测量参数的准确，工作场所的安全，以及冷媒、试验介质的消耗和综合利用等。

谢谢大家！二00九年十一月

低温阀门深冷试验 技术研究