低溫球閥試驗要求
                       上海申弘閥門有限公司    

之前介紹蒸汽截止閥熱損失，現在介紹低溫球閥試驗要求低溫試驗是對低溫閥門性能驗證的一個重要手段，現行標準規定的閥門低溫試驗方法與實際工況有一定的差異，不當的操作容易造成試驗結果的失真，甚至對受試閥門的損害。本文主要針對低溫球閥的特殊結構，分析了閥門低溫試驗中容易出現的問題，并結合實際操作經驗，提出了一些應對措施。  由于用水進行殼體和密封試驗時，在填料中會殘存水分，在使用時會因結冰而造成閥門操作困難'致使閥桿和填料損壞，所以一般用氮氣進行試驗。其試驗方法與一般閥門相同。試驗順序為殼體試驗——上密封試驗——閥座密封試驗。
   低溫球閥試驗要求 低溫試驗的目的是，通過使用溫度下的密封及操作試驗，檢查低溫下閥門的泄漏及操作情況。低溫試驗在產品常溫試驗合格后進行，試驗前閥內不準有水分和油脂。低溫密封性能試驗的方法有兩種：一種是浸漬法（即外部冷卻法），另一種是保冷法（即內部冷卻法）。浸漬法是將閥門浸在裝有液氮的保冷箱申冷卻，當溫度降到工作溫度后用氮氣進行密封性能試驗。保冷法是將閥門安放在保冷箱中，通人低溫介質降溫，當溫度達到規定值時，將低溫介質放掉，然后通人規定壓力的氮氣進行試驗。另外，對于大型閥門，也可不用保溫箱，只要在閥門外表覆蓋保冷材料即可。
1、前言
球閥以啟閉迅速、密封可靠、結構簡單、重量輕、流阻小等特點，目前在低溫管道系統得到較廣泛應用。用于工業低溫管道的球閥，除少量一部分特殊用途、非典型結構外，大都為非金屬軟密封閥座結構，由于其運行工況惡劣，作用關鍵，因此密封要求高，性能考核嚴格，其低溫性能試驗是生產與使用過程中的一道關鍵工序。
球閥的低溫試驗具有一定的特殊性，認為了解掌握球閥低溫試驗的原理、方法及特性，科學、合理地利用低溫試驗的手段，對促進低溫球閥的研究、生產，持續提高產品質量，保障重點工程建設均有著重要的意義。
2、閥門的低溫試驗
2.1、目的
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥,氣動截止閥,電動蝶閥,氣動蝶閥閥門低溫試驗是檢驗低溫閥門在低溫模擬工況環境下的性能，可以對低溫閥門整機性能作出評價。目前，閥門低溫試驗所執行的標準主要是：GB /T24925-2010、BS 6364:1984 等。低溫試驗的主要內容有: 檢驗密封件、填料、上密封等處的密封情況；整機帶壓工況的操作性能等。檢測參數有: 閥體、閥蓋、閥桿、閥瓣、填料函、冷媒及環境溫度；閥門出口端的瞬間泄漏量、累積泄漏量和平均泄漏量；試驗介質壓力極其變動情況。試驗介質一般為氦氣。

 1．殼體試驗
    將閥門固定在試驗臺上，出口側裝盲板。閥門在開啟狀態下用氮氣按表1-49規定的壓力進行試驗，并涂肥皂液。要求在閥體和閥蓋的表面、連接部位及法蘭處無泄漏，各部位不準有異常的狀態。
    2．上密封試驗
    有上密封結構的閥門應進行上密封試驗。試驗時，閥門全開，閥桿達到上密封，將填料壓蓋放松，填料處于自由狀態，涂肥皂液以檢查有無氣泡溢出。
  3閥座密封試驗
  將閥門關閉，并將出口側盲板拆除，用氮氣按表1-50的壓力進行試驗，不得有泄漏。
  以上試驗均要求閥門不得有泄漏。但止回閥允許有不超過0. 39DNmL/min( lONPSmL/min)e的泄漏率。
  4．低溫試驗
  低溫試驗的允許泄漏率按表l- 51的規定。
表1·50低溫閥閥座密封試驗壓力及持續時間

  (1)浸漬法低溫試驗程序
  1)試驗前的準備：
  。，試驗閥常溫下的殼體試驗和密封試驗應合格。
    b，試驗閥內不準有水分和油脂。
    c試驗裝置上的低溫槽用不銹鋼制造，其尺寸由試驗閥的尺寸決定，但閥蓋中法蘭的上部也能達到浸漬。
    d．閥門的固定裝置采用不銹鋼等具有低溫強度的材料制造。
    e．試驗裝置的配管如圖1-47所示。
    2)試驗方法：截止閥，閘閥（有泄壓孔）、止回閻的試驗方法如圖1-47所示。
    a·將試驗閥關閉。
    b將閥門l、2關閉，閥門3、4打開。真空泵
浸潰法砥溫試驗裝配管圖
    1、2、3、4、5-閥門
  注：止回閥進出口的配管正相反    

c．用真空泵抽去試驗閥內的空氣。
    d．將空氣排干凈后，閥門3、4關閉，閥門1、5全開。
    8．用l.OMPa (lObar)的氮氣加壓。
    ￡將液氮慢慢加入低溫槽中，直至試驗閥的閥蓋*被浸漬。此外，當低溫槽中有殘液時，灌量要少一些。
    g．浸漬后，液氮開始沸騰，經20min以后再進行泄漏檢查。
    h．閥門5關閉，閥門2打開，將試驗閥出口側的壓力卸掉（但止回閥是將進口側的壓力卸掉）。
    i-試驗閥人口側用氮氣加壓至規定的壓力（但止回閥是在出口側加壓）。
    j用量筒測量試驗閥出口側Imin的泄漏量（但止回閥是在進口側測量泄漏量）。
    k．測定完后，關閉閥門l，打開閥門5、2，將內部壓力泄放后，從低溫槽中取出試驗閥，試驗結束。

2.2、試驗裝置
閥門的低溫試驗裝置如圖1 所示，試驗裝置主要由低溫系統、壓力系統和測控系統3 部分組成。低溫系統以液氮作冷媒，營造合適的低溫環境，應具備浸漬和噴淋兩種降溫模式，其中噴淋降溫法要能實現0 ～-196℃溫度可調；壓力系統控制試驗介質壓力，提供試驗需要的壓力源，對于貴重試驗介質，應能盡可能實現回收重復利用；測控系統負責試驗過程中各物理量的采集、歸納、評定，輔助參數和試驗參數的管理，整個試驗裝置的過程控制，并提供完備的人機操作界面。
閥門低溫試驗原理
圖1 閥門低溫試驗原理
2.3、試驗過程
低溫試驗前，應使受試閥門充分干燥，去除閥內的油脂及雜物。將低溫閥門安裝在低溫試驗槽內，連接好所有接頭，保證閥門填料部分位于保溫蓋以上，且溫度保持在0℃ 以上。將閥門浸入低溫介質中，低溫介質蓋住閥體與閥蓋連接部分上端，或使用噴嘴向閥門的閥蓋頸部以下均勻噴淋低溫介質，使閥門冷卻至相應的試驗溫度。保持一定的時間，直到各處的溫度穩定為止，溫度變化應在± 5℃以內。開關閥門若干次，檢驗其低溫操作性能；關閉閥門，按正常流向加壓，進行密封試驗。再將閥門處于半開狀態，關閉出口端的針型閥，檢驗閥門填料、閥體和閥蓋連接處的密封性。將試驗結果與相應標準對照，判定結果，形成結論。
3、球閥低溫試驗中應該注意的問題
3.1、與實際工況的差異
即使低溫試驗合格的產品，由于低溫管道實際工況的溫度梯度可能始終存在，閥門殼體的溫度水平高于內件，裝配時預加的密封比壓會有所降低，仍可能會造成密封效果下降。
3.2、低溫抱死
低溫抱死帶來的損害有時會很嚴重，除了對閥座的擠壓外，連接殼體的緊固件和密封元件也會受到應力異常升高帶來的損害，殼體和內件相互抱緊后，受力情況復雜，嚴重時也可能會造成結構上的*改變。
低溫球閥產生低溫抱死后zui忌立即進行開、關操作，此時的開、關操作在極大的應力作用下很容易在閥座的密封面上產生一系列壓痕，甚至會造成球體端口對閥座的“啃切”現象，使閥座*失效。
防止低溫抱死損害的有效手段是控制好降溫速率，降溫過程中保持閥門處于全開或全關位置，設法進行閥內溫度的測定，維持一定的溫度穩定時間，開、關操作前要盡可能保持閥門內、外溫度平衡。
3.3、材料低溫特性的影響
目前低溫閥門，特別是LNG 等介質用超低溫閥門的金屬用材主要以304、304L、316、316L 等Ni—Cr 奧氏體不銹鋼為主，這類材料在低溫下仍能保持較好的強度和韌性，但這類材料也存在著某些不足，這些材料都屬于亞穩定型不銹鋼，在低溫下會發生向馬氏體的金相轉變，由于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，低溫相變后會引起體積膨脹而導致零件變形。此外，溫度降低還會造成金屬結構的收縮，由于零件各部分收縮不均勻，就產生了溫度應力，當溫度應力超出了材料的屈服極*，零件將產生不可逆的*變形。因此，低溫閥門零部件的深冷處理工藝是很關鍵的，深冷處理的目的就是使這些相變和變形在精加工之前充分發生，以保證成品零、部件的結構穩定。零部件沒有經過深冷處理的低溫閥門在進入低溫環境后可能會造成整機性能全面失效。
低溫球閥的非金屬閥座一般以聚四氟乙烯( PTFE) 、聚三氟氯乙烯( PCTFE) 等構成，PTFE 和PCTFE 的理論脆化溫度均為-180 ～- 195℃，但實際上，商業化采購的產品遠達不到這樣的溫度，閥座的低溫脆性帶來的損害有時是嚴重的，脆化后的閥座已失去了彈性補償能力，如果球體精度沒有足夠高，很難達到密封要求，特別對于中國標準規定的軟密封閥座的零泄漏要求。此外，脆化后的閥座硬度急劇升高，有可能造成球體表面損傷或閥座脆裂。
3.4、降溫速率的影響
浸漬法降溫的速率其實是很難控制的，取決于閥門表面狀況和材料的導熱系數。但噴淋方式可以通過控制液氮噴淋量來調節降溫速率。從理論上來說，較低的降溫速率可以降低閥門內、外溫差，減小溫度梯度，對試驗過程有利，但會增加液氮的消耗。降溫速率應視受試閥門的具體參數而定，如通徑、壁厚、結構情況、內件組成等。過快的降溫速率會加劇低溫抱死現象，并且，過大的溫度梯度會引起較高的內應力，造成構件損壞。
閥門、外降溫過程

圖2 閥門、外降溫過程
4、試驗用冷媒和介質的消耗控制
4.1、冷媒消耗及其控制
低溫試驗中冷媒的理想消耗應該是: 受試閥門連同試驗槽內的附屬設施從室溫降低到規定溫度所需要帶走的熱量，等于所消耗冷媒的汽化潛熱總量。減少冷媒消耗是降低試驗成本的一項重要措施，減少冷媒消耗可以從以下方面著手: (1)選擇容積合適的低溫試驗槽；(2) 盡可能減小試驗槽內的多余空間，可以用熱容量較小的材料填塞多余空間；(3) 對于需要溫度調節的試驗，盡量采用噴淋方式調溫，避免使用酒精稀釋冷媒后的浸漬；(4) 集中安排試驗，同規格的產品可以進行連續試驗，以合理利用殘液；(5) 加強保溫措施，減少冷量的額外損耗。
4.2、試驗介質消耗及其控制
低溫試驗的介質一般規定為氦氣，氦氣是一種惰性氣體，標準大氣壓下的液化溫度為-269℃，是用于閥門低溫試驗比較合適的介質。但氦氣的市場價格昂貴，而大口徑、高壓力閥門低溫試驗的氦氣消耗量巨大，因此，氦氣的消耗控制及回收重復利用意義重大。從原理上來說，氦氣的回收技術并不復雜，重要的是其過程的可操作性和操作的安全性設計。曾有人擔心氦氣回收后的純度問題，其實，閥門低溫試驗對氦氣的純度要求并不高，而且，閥門在低溫試驗過程中，首先對閥腔進行氦氣吹掃，以排除內腔空氣。閥門低溫試驗時的深冷高壓環境已超過了絕大部分物質的液化凝結點，回收后的氦氣純度變化不大，對低溫試驗的重復使用也沒多少影響。
5、安全防范措施
閥門的低溫試驗是一項具有一定危險性的工作，安全防范措施十分重要。其危險性主要體現在: 液氮大量揮發造成的局部缺氧，會引起人員窒息；可能會出現的對人員的低溫“燙傷”；試驗介質大量泄漏而引起的冷媒飛濺；以及儀器、儀表的低溫損壞。因此，低溫試驗的工作場所要保持良好的通風，必要時，還需進行人工強制通風。要以相關標準為依據，科學、合理地制定企業低溫閥門試驗操作規程。操作人員必須持證上崗，并配備必要的安全防護裝備，要特別注意對臉、手等暴露在外的身體部位的保護，低溫操作時應嚴格禁止一個人在現場工作。試驗設備上要設置緊急停車功能，并使其操作部件處于zui醒目和便于操作位置。對于高壓、大口徑等高參數試驗，應盡可能進行遠距離操作。受試閥門在低溫試驗槽內要有固定和夾緊措施。儀器、儀表的選擇要注重其抗低溫特性，及低溫下的性能穩定性，防止其非耐低溫部位接觸低溫環境。對于暴露在外的低溫設備或設備的低溫部位要設立警示標志，并進行隔離，避免對無關人員的意外傷害。

 1)試驗前的準備：
    8．試驗閥常溫下的殼體試驗和密封試驗應合格。
    b試驗閥內不準有水分和油脂。
    。．試驗閥的固定裝置采用不銹鋼等具有低溫強度的材料制造。
    d．試驗閥安裝在試驗臺上后，出口側裝盲板。
    8-在試驗閥的進口側和出口側接與溫度測定器相連接的導線。
    ￡為了達到良好的保冷效果，在試驗閥外表包有絕熱材料，以防冷氣外散。
    g試驗裝置的配管如圖1—48所示。
    2)試驗方法：
    a．打開試驗閥。
    b將閥門1、5打開，將液氮遁到閥門的內部。然后，將閥門2、4慢慢開啟，氣體放出，試驗閥冷卻。
    。．試驗閥冷卻后，如果由閥門2噴出液氮，即將閥門2關閉。
    d．與試驗閥相連接的溫度測定器的指示在進口側和出口側都在- 162℃以下時，將試驗閥關閉。
    8．試驗閥關閉后，等到從閥門4中噴出液氮保冷法低溫試驗裝置配管圖2、3、4、5、6-閥門點的溫度差要在20℃以內。
    c．用真空泵抽去試驗閥內的空氣。
    d．將空氣排干凈后，閥門3、4關閉，閥門1、5全開。
    8．用l.OMPa (lObar)的氮氣加壓。
    ￡將液氮慢慢加入低溫槽中，直至試驗閥的閥蓋*被浸漬。此外，當低溫槽中有殘液時，灌量要少一些。
    g．浸漬后，液氮開始沸騰，經20min以后再進行泄漏檢查。
    h．閥門5關閉，閥門2打開，將試驗閥出口側的壓力卸掉（但止回閥是將進口側的壓力卸掉）。
    i-試驗閥人口側用氮氣加壓至規定的壓力（但止回閥是在出口側加壓）。
    j用量筒測量試驗閥出口側Imin的泄漏量（但止回閥是在進口側測量泄漏量）。
    k．測定完后，關閉閥門l，打開閥門5、2，將內部壓力泄放后，從低溫槽中取出試驗閥，試驗結束。

6、結語
現行標準規定的閥門低溫試驗方法與低溫閥門的實際運行工況環境有一定的差異，應合理的控制降溫速率、降溫方式、保溫時間，使試驗條件盡可能接近實際工況。對于球閥的低溫試驗，要注意其構件材料的低溫特性，防止低溫抱死、冷流等對受試閥門的損害。閥門低溫試驗中的冷媒和試驗介質價格昂貴且消耗較大，應注意消耗控制，或對其回收重復利用。要加強安全防范措施，防止低溫對人員和設備的傷害。與本文相關的產品有美標鈦截止閥