低温截止阀除了应满足一般阀门所具备性能之外,更主要的是在低温状态下保证密封面的封性能,动作灵活,漏热低等特点，要满足低温下所需的机械性能、耐低温性能,尤其是冲击功和相对延伸率的要求，与低温介质的相容性，具有相对低的导热性,即热导率相对低，在低温无油润滑的情况下具有必需的硬度和耐磨性。
低温阀是一种在温度等于或低于120 K的介质中工作的阀门。低温阀除了应满足一般阀门所具备性能之外,更主要的是在低温状态下保证密封面的封性能,动作灵活,漏热低等特点,而其关键技术对漏热的要求。因此根据绝热方式的不同,其结构要有堆积绝热式、高真空绝热、真空粉末绝热和高空多层绝热等多种形式。
低温截止阀的材料
由于低温阀工作介质的低温性质,使低温阀门对材料有许多特殊要求。
3. 1 材料耐低温性能
低温阀不仅要求在低温下保证正常工作,同时要保证其常温的工作机械性能,也要满足低温下所需的机械性能,尤其是冲击功和相对延伸率的要求。针对以上要求,为了防止材料在低温下的低应力脆断,一般多采用奥氏体组织的材料,如:奥氏体不锈钢铸件、铜、铜合金、铝及铝合金等。这是因为经过对低应力脆性断裂特点研究,对金属断裂机理进行分析发现,金属的低温韧性即缺口尖端处的金属微观塑性变形能力是决定设备抵抗应力脆断破坏的关键。实验表明,具有面心立方结构的金属,如铜、铝、镍和奥氏体类钢基本上没有这种温度效应,即没有低应力脆断。这是因为当温度降低时,面心立方金属的屈服强度没有显著变化,而且不易产生形变孪晶,位错容易运动,局部应力易于松弛,裂纹不易传播,一般没有脆性转变温度。
3. 2 与低温介质的相容性
材料与低温介质的相容性就是要求材料本身不能与低温介质发生任何物理化学变化,不能引起腐蚀及爆炸。如在氧介质中工作的材料,不允许使用玻璃钢作为绝热材料,也不允许使用活性碳作为吸气剂,因为它们均能与氧发生燃烧爆炸。
3. 3 具有相对低的导热性,即热导率相对低
低温截止阀输送的介质温度低,介质成本高,而且介质的突然汽化也会给设备的安全运行带来极大危害。所以低温截止阀对漏热的要求较高。为了降低传热,在合理选择绝热的前提下,应尽量采用热导率相对低的材料,以降低低温介质的蒸发量。
3. 4 在低温无油润滑的情况下,具有必需的硬度和耐磨性
阀门依靠阀杆的运动开启和关闭,阀杆传递的作用力又使密封面达到一定的密封力。这就要求制作截止阀零部件的材料必须有一定的硬度和耐摩性。铝和铝合金在低温截止阀中的使用有一定的限制,主要是因为硬度不够,会导致密封表面比钢和黄铜失效得更快[1]。 目前使用较多的金属材料有:不锈钢、铜合金、铝合金、镍合金等;非金属材料有:玻璃钢、聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺、石棉绳、橡胶等,其中玻璃钢大多作为热桥零件,而聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺多作为密封面材料,石棉绳、橡胶、填料等多作为阀杆密封材料。
4 低温截止阀的密封
低温介质的成本以及危害性等特点,使低温阀门的密封设计在整个设计过程中占有相当重要的位置要求在一定工作条件下不能泄露,低温截止阀的密封要包括阀杆密封和密封面密封。
4. 1 阀杆密封
目前低温截止阀的阀杆密封有填料函和波纹管两种其中在成批生产的空气分离装置上的阀门,其阀杆多采用填料函密封结构。在有毒易燃易爆气体介质中工作的阀门,阀杆可以采用波管密封,但在大于等于80MPa的高压气体中,由波纹管不能承受如此高的外压,只能采用填料函密封填料函密封由于制造加工简单、维修更换方便在实际生产中应用相当普遍。但是为保证填料的密性能,其工作温度一般不能低于-40℃,这就要求低温阀门上工作的填料函装置应尽量在接近环境温下工作。通常情况下,填料不结霜即认为其处于正的工作状态,但如果由于填料本身或工作寿命的原使填料不密封,则低温气体通过填料就会造成泄漏并使填料函冷冻结霜,又会造成填料的进一步泄漏失效。在航天领域应用的很多低温阀门系列中,由于成原因大多采用了填料函密封结构,而为了确保阀杆填料函的温度,均采用了加长阀杆长度的方法,所造成这些低温阀的尺寸均比较大。
波纹管密封截止阀多用于介质不允许微量泄漏和不适填料的场合。在波纹管的设计中,其寿命是关键,波纹管的寿命与其行程大小和初始安装状态有关。保证波纹管截止阀的使用寿命,在行程一定的情况下,安装波纹时要保证其不承受附加外力的作用;在工作状态下由于波纹管承受的是外压,其工作状态较好,但由低温阀门的快速关闭或管道中可能存在的气穴都可能引水击。因此在波纹管承受的计算压力时,要加上定的安全系数,并尽可能使波纹管避免直接承受水击。
4. 2 密封面密封
低温阀门密封面的结构大体上分为平面、锥面球面、刀形等密封形式。其中平面密封由于加工造简单应用较为广泛,尤其适合应用在大口径阀门中但由于其平面结构的特点使其密封力比较大,需要操作力也较大。锥面和球面密封副在小口径阀门中用较为广泛,有好的应用实例。由于是锥面形式,所需密封力和操作力比较小,但在大口径阀门中很少用,不仅因为其加工制造困难,而且在低温状态下由材料收缩、材料金相组织变化和加工误差等多种因素作用,使密封面在低温下容易失去密封性能而造成阀泄漏。
对于制作密封面(阀头-阀座)的材料,不仅要求其有一定的机械强度,更重要的是要保证较高的表面硬度。密封面的材料一般不采用铝和铝合金,因为其硬度太差,通常均采用不锈钢、铜合金、聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺等材料(聚碳酸脂也可用做密封面材料,但没有成熟的使用数据)。随着发展,开始尝试使用增强聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯应用于低温截止阀的密封面,且效果也不错。对以上阀头-阀座的配对材料中,为了保证密封性能,一定要注意表面粗糙度的选择。
5 摩擦副的设计
低温阀门经常使用的壳体和阀杆材料主要是0Cr18Ni9不锈钢材料。不锈钢材料在低温下的总体机械性能得到了提高,只是δ5、AKV值有所降低,且在常温状态下摩擦部分极易出现咬死现象。低温阀中摩擦副将严重影响整个阀门工作的可靠性,且为了防止污染低温介质,不允许使用防止零件磨损和咬死的润滑剂。低温阀门在常温状态工作时,为确保不出现咬死现象,应选用不同材料或把摩擦副材料的硬度错开。
在实际设计中,通常采用0Cr18Ni9-黄铜,但0Cr18Ni9-2Cr13摩擦副较好不要相配合。
6 阀门的漏热
在低温阀门中,由于介质成本较高,阀门漏热是关键问题。通过阀门的漏热主要有2部分:通过阀门壳体的漏热和机械构件的漏热。