低温閥

包括低温球閥、低温閘閥、低温截止閥、低温安全閥、低温止回閥，低温蝶閥，低温針閥，低温節流閥，低温減壓閥等，主要用於乙烯，液化天然氣裝置，天然氣LPG LNG儲罐，接受基地及衞星站，空分設備，石油化工尾氣分離設備，液氧、液氮、液氬、二氧化碳低温貯槽及槽車、變壓吸附製氧等裝置上。輸出的液態低温介質如乙烯、液氧、液氫、液化天然氣、液化石油產品等，不但易燃易爆，而且在升温時要氣化，氣化時，體積膨脹數百倍。

液化天然氣閥門的材料非常重要，材質不合格，會造成殼體及密封面的外漏或內漏；零部件的綜合機械性能、強度和鋼度滿足不了使用要求甚至斷裂。導致液化天然氣介質泄漏引起爆炸。因此，在開發、設計、研製液化天然氣閥門的過程中，材質是首要關鍵的問題。

經過多年製造，已積累了豐富的經驗，從設計、工藝到製造日趨成熟，並已開發形成了低温閥門的系列產品。 ^[1] 

近幾十年，隨着現代科學技術的發展，工程項目中對低温閥門的需求越來越多。低温閥門在化肥、LNG 及石油化工等領域使用較多。低温閥門所控制的介質除了液氮和其他液態惰性氣體外，大部分介質不但易燃、易爆，而且在升温或者閃蒸時會發生氣化，致使體積急劇膨脹，容易導致泄漏和爆炸。基於介質特點及適應閥門在低温下使用的要求，低温閥門的設計、製造、試驗和安裝方法等均與普通閥門有不同之處。

不同標準對低温閥門有不同定義。如英國閥門標準 BS6364《低温用閥門》適用於介質温度範圍為-50℃~-196℃ ； 美 國 標 準 MSSSP-134 《對低温閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》對低温的解釋為“對於標準慣例來説，低温範圍介於 -100℃~ -195℃”；中國國家標準GB/T 24925《低温閥門技術條件》標準適用於介質温度範圍為 -29 ℃~ -196℃；殼牌閥門標準 SHELL MESC SPE 77/200《低温及超低温用閥門》適用於介質温度範圍為 -30 ℃~ -196℃。國外根據各種不同氣體在常壓下的液化温度一般分為六種温度級。一級為 0~ -46℃，二級為 -47~ -60℃，三級為 -61~ -70℃，四級為-71~-101℃ ， 五級為-102~-196℃ ， 六級為-253℃以下。一般將 -46~-150℃稱為低温 ，-150℃以下稱為超低温。

石化行業對低温閥門的定義是按照輸送介質的設計温度來定義的，一般將應用在介質温度 -40 ℃以下的閥門稱作低温閥，應用在介質温度 -101 ℃以下的閥門稱作超低温閥門。 ^[1] 

低温閥門包括閘閥、截止閥、止回閥、球閥、蝶閥、節流閥，減壓閥等。其中，最常用的為低温閘閥、低温截止閥、低温球閥和低温蝶閥。如MSS SP-134標準中涉及低温閘閥、低温截止閥、低温球閥和低温蝶閥，GB/T 24925標準中涉及低温閘閥、低温截止閥、低温止回閥、低温球閥和低温蝶閥。 ^[1] 

1、低温閥門的材料選擇

低温閥門的工作介質不僅温度低，而且大部分或有毒，或易燃、易爆，而且滲透性強，因此決定了對閥門用材的諸多特殊要求。在低温狀態下鋼的機械性能與常温時不同，低温用鋼，除強度外，最重要的指標就是其低温衝擊韌性。材料的低温衝擊韌性與材料的脆性轉變温度有關，材料的脆性轉變温度愈低，材料的低温衝擊韌性愈好。碳鋼等體心立方晶格的金屬材料存在低温冷脆現象，而奧氏體不鏽鋼等面心立方晶格的金屬材料其衝擊韌性基本不受低温影響。

低温閥門閥體、閥蓋等耐壓零件的材料，通常採用低温強度好的韌性材料，同時還要考慮焊接性、機加工性能、穩定性和經濟性等因素。工程公司設計時，最常用的是 -46℃、-101℃和-196℃三個低温級別。-46℃低温級一般選用低温碳鋼，-101℃和 -196℃低温級一般選用 300系列奧氏體不鏽鋼，這種不鏽鋼有適中的強度、較好的韌性和較好的加工性能等。根據 ASMEB31.3 低温閥門常用材料的最低適用温度見表 1。

2、低温閥門的結構設計

1）閥蓋結構設計

低温閥門的一個最顯注的特點就是其閥蓋一般為長頸結構，在 GB/T 24925《低温閥門技術條件》中也有明確規定“低温閘閥、截止閥、球閥、蝶閥的閥蓋應根據不同的使用温度要求設計成便於保冷的長頸閥蓋結構，以保證填料函底部的温度保持在 0℃以上”。 加長閥蓋結構的設計主要是為了使閥門操作手柄和填料函結構遠離低温區，既可以避免温度太低造成操作人員凍傷，也可以保證填料函和壓套在正常的温度下使用，防止填料的密封性能降低，延長填料的使用壽命。此外，由於低温管道一般有着較厚的保冷層厚度，長頸閥蓋便於保冷施工，並使填料壓蓋處於保冷層外，有利於需要時隨時緊固壓蓋螺栓或添加填料而無需損壞保冷層。

BS6364、MSS SP-134 和 SHELL MESC SPE77/200 標準均對閥蓋加長尺寸進行了規定。其中，BS6364 規定了15～ 500帶冷箱的加長尺寸 ， 並規定非冷箱最小加長長度應為250mm；MSS SP-134 則包含了15～300的帶冷箱和非冷箱的加長尺寸要求，比較而言，非冷箱加長尺寸比 BS6364 規定長，帶冷箱加長尺寸比 BS6364 規定短。SHELL MESC SPE 77/200則沒有對帶冷箱和非冷箱進行區分，規定了15～1200在不同温度範圍的長度 。 綜合考慮，SHELL MESC SPE 77/200 其加長長度選用範圍較寬使用比較方便可靠，如用於低温關鍵場合可參考 SHELL MESC SPE 77/200 標準進行設計或按設計單位特殊長度要求進行設計。此外，在進行長度選用時還需考慮設計保冷層厚度是否大於該長度，如是則應加長以和保冷厚度匹配。

2）滴水板結構設計

由於閥門內傳遞是低温介質，為了避免或減少介質温度向閥杆及其上端的填充材料傳遞，防止這些材料因凍結而失效，可在閥門中增加滴水板結構。一些研究機構對這種帶有滴水板結構的閥門進行了實驗驗證，並證明了帶有滴水板的閥門閥蓋上端温度較高。由於延長閥蓋上部的温度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低温閥蓋會液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低温液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓鏽燭影響在線維修。此外，滴水板需設置在保冷層外側，可以防止冷凝的水滴落到保冷層及閥體上部，保護保冷層及防止冷量流失。

3、泄壓部件的結構設計

對於有密閉中腔結構的低温閥門，當應用在易燃、易爆且容易氣化的介質時，對於閥門密封結構有着特殊的要求。一些低温介質在汽化後其體積會升高，例如，液化天然氣汽化後的體積為液態時的六百多倍，當閥門為閉合狀態且周圍環境温度相對較高時，閥體內的低温介質吸收環境中熱量而逐漸汽化，其體積迅速上升，導致閥門內部超壓，甚至威脅到閥門的安全，導致介質泄露甚至造成火災事故，為保證閥門和工廠的安全性，此類閥門要求帶中腔自泄壓結構，使閥門內腔壓力異常超壓時，實現自動泄放。如低温閘閥、球閥，由於閥門密封原理不同，在泄壓設計上，會有明顯的區別。不過不同的廠家在泄壓結構的設計上，多有自己不同的特點。

4、防靜電及防火結構設計

由於低温閥門一般應用在易燃、易爆的介質上，防靜電設計及防火設計顯得尤為重要。防靜電設計主要是以一種類似避雷針的引導電流方式，將閥杆與閥體導通，從而將靜電導出以消除安全隱患，保證整個系統的供應安全。如GB/T 24925 明確規定 “ 用 於 易燃蒸氣或液體的具有軟閥座或軟的關閉插入部件的閥門，在設計時應保證閥體和閥杆具有導電連貫性，放電路徑最大電阻不應超過 10Ω。”。防火結構的設計主要是針對因温度劇烈變化而導致的介質泄露問題而進行的，防火結構的設計與普通閥門的設計要求類似。 ^[1] 

因為低温閥門的特殊結構，低温閥門的安裝亦有其特殊要求。因為低温閥門的長頸閥蓋結構特點，低温閥門在安裝時閥杆閥杆方向必須在垂直向上的 45 度角範圍內，且應儘量避免安裝在垂直管線上。否則低温介質將充滿閥蓋的加長部分，造成閥門填料失效，並會將冷量傳給閥門手柄，給操作人員帶來人身傷害。對於有泄壓結構的低温閥門，在安裝閥門時，要特別注意閥門泄壓方向的要求。閥門泄壓的方向應在工藝流程圖上標出，並體現在管道軸測圖中。 ^[1] 

主要有兩種情況，一是內漏；二是外漏。

閥門產生內漏主要原因是密封副在低温狀態下產生變形所致。當介質温度下降到使材料產生相變時造成體積變化，使原本研磨精度很高的密封面產生翹曲變形而造成低温密封不良。

閥門的外漏：其一是閥門與管路採用法蘭連接方式時，由於連接墊料、連接螺栓、以及連接件在低温下材料之間收縮不同步產生鬆弛而導至泄漏。因此可把閥體與管路的連接方式由法蘭連接改為焊接結構，避免了低温泄漏。其二是閥杆與填料處的泄漏。