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超低温深冷焊接式截止阀结构设计优化引言

        超低温截止阀是应用于低温工况下的截止设备，一般工况温度在-100℃以下.低温工业在工业领域中占有重要的地位，以天然气为例，为了使天然气更加方便运输，工业上一般用降温和压缩的方法将气化天然气转化为液化天然气（LNG），在标准大气压下的沸点是-162℃，气化后体积为液态时的600倍。超低温截止阀作为低温工业用的一种主要阀门与重要截止设备，对其密封结构的设计与研究具有重大的意义.704研究所通过大量的研究试验，针对-196℃超低温工况，研制出了可在此温度环境中工作的超低温阀门样机。

1 超低温深冷焊接式截止阀结构设计优化对材料的要求

 在常温工况下应用的阀门，材料选择的范围比较广泛。超低温截止阀的使用工况在-100℃以下，对材料的要求较为严格。在工作温度下，材料不应产生低温脆性破坏，材料的组织结构应稳定，以防止材料相变而引起体积变化；采用焊接结构时，材料的焊接性能要好，在低温下焊缝具有较高的可靠性；阀门在低温工况下频繁启闭，其阀瓣、阀杆、阀座等零部件应避免卡阻、咬合与擦伤等现象。基于上述要求，低温截止阀主要零件推荐选用的材料。

低温截止阀采用法兰和焊接式连接，低温截止阀短轴-40℃和-196℃长轴结构，主要用于介质截止和调节，低温截止阀全不锈钢304材质，有中高压结构设计，经低温工艺处理，主要用于深冷介质管路，适用于-196℃的液氧、液氮、液氩、液化天然气、液态二氧化碳、液态丙烷等介质。

用于截断或接通管路中的介质。通过选择碳钢、不锈钢、合金钢等阀门材质，低温截止阀系列有美标,国标,体盖内件材料做低温冲击试验,超低温截止阀深冷处理，可分别适用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氧化性介质、尿素等多种介质。低温截止阀的驱动装置可选用手动、齿轮传动、气动或电动。低温截止阀一般采用法兰连接，也可采用对焊连接。

超低温深冷焊接式截止阀结构设计优化的设计要求

    根据使用条件，低温截止阀的设计有下列要求：

   1、低温截止阀在低温介质及周围环境温度下应具有长时间工作的能力。

   2、低温截止阀不应成为低温系统的一个显著热源。这是因为热量的流入除降低热效率外，如流入过多，还会使内部流体急速蒸发，产生异常升压，造成危险。

   3、低温介质不应对手轮操作及填料密封性能产生有害的影响。

   4、直接与低温介质接触的国标低温铸钢截止阀组合件应具有防爆和防火结构。

   5、在低温下工作的阀门组合件无法润滑，所以需要采取结构措施，以防止摩擦件擦伤。

超低温深冷焊接式截止阀结构设计优化主要技术参数:

DJ61F-40P长轴低温截止阀--产品规范:

低温长轴截止阀原理：

低温长轴截止阀DJ61F应用于气体液化设备、空分设备；天然气液化、储运设备；液态氧、氮、氩、氢、二氧化碳低温贮槽及槽车；变压吸附制氧、氮设备。低温长轴截止阀DJ41F-40P用于低温储罐的出液口和进液口，因为低温储罐内的介质温度极低，温度在短时间内容易传到至手柄的顶端。所以接触低温液体面积较大的部位管路采用低温长轴截止阀。低温阀门广泛应用于能源、石化、冶金、航天、核工业等行业。 

低温长轴截止阀型号： 

DJ61F-16P、DJ61F-25P、DJ61F-40P、DJ61F-64P

        2 超低温深冷焊接式截止阀结构设计优化主密封结构设计

        超低温截止阀采用阀瓣与阀座接触的锥面密封结构，密封副设计成金属对金属的硬密封形式，阀座设计在阀体上，和阀体组成一体结构，如图2所示。为保证阀门的可靠密封，在阀瓣和阀体密封面上喷焊硬质合金。经过低温试验及涂层力学性能试验，证明喷涂后硬度增加，低温环境耐磨性能良好，促进阀门在低温环境的可靠密封。经过查阅资料和实验应用，我们采用等离子喷焊技术对阀体密封面喷焊StelliteNo6合金，对阀瓣密封面喷焊StelliteNo12合金，厚度≥1mm。经过喷焊工艺处理，附着StelliteNo12合金的阀瓣密封面的硬度较附着StelliteNo6合金的阀体密封面的硬度大，有利于截止阀的密封效果。

        由于超低温截止阀的使用工况在-100℃以下，阀瓣和阀体在喷焊硬质合金后，要进行深冷处理.本文设计的超低温截止阀样机的阀体与阀瓣粗加工后，浸在-196℃的液氮中保冷2h，然后取出自然处理。另外，阀杆、长颈阀盖、螺纹紧固件等主要部件在精加工前均进行深冷处理。

        超低温截止阀的阀杆带动阀瓣通过上下的直线运动实现阀门的启闭。在设计阀体时增加了阀瓣的运动导向功能，在阀体中设计圆柱形导向壁，使阀瓣运动平稳，阀门启闭可靠。同时，在阀门生产加工过程中，由于阀瓣密封面与阀体密封面均喷焊了Stellite合金，硬度大大提高，密封面的加工及研磨有一定的难度，而主密封面必须要精准的研磨配合，才能有效密封。导向壁的设计使阀瓣与阀体密封面的接触配合更加均匀，有利于实现截止阀的可靠密封与加工工艺。

        根据超低温截止阀主密封结构，使用ANSYS软件对其密封性能进行模拟。超低温截止阀在低温状态下，通过有限元分析得到的密封比压，来判断该阀门的密封性能。

        几何建模为了使建立的模型便于有限元分析，实际模型对一些不影响结构与性能分析的部分进行了一定的简化，如螺孔、螺栓、垫片等。同时为防止管路两端的约束影响到阀体本身，将进出口外接管路各加长了0.3m，建立的三维模型如图3所示。

        有限元建模仿真通过定义阀门的材料性能参数、边界条件、载荷条件等内容，进行仿真计算，密封面比压分布如图4所示。

        由仿真结果得到，超低温截止阀在低温工况下，其密封面的密封比压介于必须比压和许用比压范围之内，阀门的密封结构可以实现有效密封。

        3 超低温深冷焊接式截止阀结构设计优化外密封结构设计

        超低温截止阀的外密封包括中法兰处的密封和长颈阀盖顶端的密封（即上密封）。外密封结构见图5与图6。

        超低温截止阀中法兰处采用不锈钢缠绕式垫片实现密封。按照其密封所必须的比压计算出施加于法兰螺栓的力矩，通过预紧力达到可靠的密封。螺栓处加装碟型弹簧，对预紧力和位移进行补偿。

        螺纹连接的拧紧力矩计算用力矩扳手正规测定拧紧力矩时，所需力矩为：

     超低温截止阀上密封由填料单独实现时，通过计算得出填料压盖施加于填料的预紧力，并在螺栓上加装碟型弹簧，提供预紧力和位移的补偿，克服由于高低温变化填料产生的微观胀缩及密封预紧力的改变。

        填料压盖螺栓连接的拧紧力矩可参照公式1计算。以此处两个M12的螺栓计算为例，得力矩T=28Nm。在装配时，可使用力矩扳手对此处的螺栓施加28Nm的力矩。

        4 超低温深冷焊接式截止阀结构设计优化结语

        综上所述，超低温截止阀的密封技术在设计上是可行的，加工工艺可以实现.目前，704研究所已研制出超低温截止阀样机一台，并对样机进行了常温和超低温的试验。在现有成果的基础上，继续进行系列化超低温阀门的技术研究，对低温工业及超低温领域的开发与探索都具有深远的意义。