球阀以启闭迅速、密封可靠、结构简单、重量轻、流阻小等特点?目前在低温管道系统得到较广泛应用。其低温性能试验是生产与使用过程中的一道关键工序。下面来谈谈球阀低温试验中应该注意的问题。
与实际工况的差异
目前的标准、资料所推荐的低温试验方法几乎都是采用外冷法?即利用冷媒从受试阀门外部提取热量?降低阀门温度。而低温阀门的实际工况条件是: 低温介质从阀门内部流过?外部接触常温或相对较高温度环境。
外冷法带来的问题是使低温阀门在试验初期产生一个与实际工况相反的温度梯度?对低温球阀而言?阀体和阀盖快速冷却?产生体积收缩?而此时球体、阀座尚未完全冷透?特别是由于非金属阀座的隔热作用?进一步延缓了热量传递过程。此时?原有的配合被改变?非金属阀座或组合阀座的非金属密封圈可能会受到过度挤压?造成各部件动作困难?我们姑且称这种现象为: 低温抱死。低温抱死会使非金属阀座产生永久性变形?即所谓“冷流”现象?并且?聚四氟乙烯等非金属材料的热膨胀系数要大于金属材料?随着内、外温度的逐渐平衡?内件收缩?密封比压降低或消失?密封副失效。即使低温试验合格的产品?由于低温管道实际工况的温度梯度可能始终存在?阀门壳体的温度水平高于内件?装配时预加的密封比压会有所降低?仍可能会造成密封效果下降。
低温抱死
低温抱死带来的损害有时会很严重?除了对阀座的挤压外?连接壳体的紧固件和密封元件也会受到应力异常升高带来的损害?壳体和内件相互抱紧后?受力情况复杂?严重时也可能会造成结构上的永久改变。低温球阀产生低温抱死后最忌立即进行开、关操作?此时的开、关操作在极大的应力作用下很容易在阀座的密封面上产生一系列压痕?甚至会造成球体端口对阀座的“啃切”现象?使阀座完全失效。
防止低温抱死损害的有效手段是控制好降温速率?降温过程中保持阀门处于全开或全关位置?设法进行阀内温度的测定?维持一定的温度稳定时间?开、关操作前要尽可能保持阀门内、外温度平衡。
材料低温特性的影响
目前低温阀门?特别是LNG 等介质用超低温阀门的金属用材主要以304、304L、316、316L 等Ni—Cr 奥氏体不锈钢为主?这类材料在低温下仍能保持较好的强度和韧性?但这类材料也存在着某些不足?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致密度低于面心立方晶格的奥氏体?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。因此?低温阀门零部件的深冷处理工艺是很关键的?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。零部件没有经过深冷处理的低温阀门在进入低温环境后可能会造成整机性能全面失效。
低温球阀的非金属阀座一般以聚四氟乙烯( PTFE) 、聚三氟氯乙烯( PCTFE) 等构成?PTFE 和PCTFE 的理论脆化温度均为-180 ～- 195℃?但实际上?商业化采购的产品远达不到这样的温度?阀座的低温脆性带来的损害有时是严重的?脆化后的阀座已失去了弹性补偿能力?如果球体精度没有足够高?很难达到密封要求?特别对于中国标准规定的软密封阀座的零泄漏要求。此外?脆化后的阀座硬度急剧升高?有可能造成球体表面损伤或阀座脆裂。
降温速率的影响
浸渍法降温的速率其实是很难控制的?取决于阀门表面状况和材料的导热系数。但喷淋方式可以通过控制液氮喷淋量来调节降温速率。从理论上来说?较低的降温速率可以降低阀门内、外温差?减小温度梯度?对试验过程有利?但会增加液氮的消耗。降温速率应视受试阀门的具体参数而定?如通径、壁厚、结构情况、内件组成等。过快的降温速率会加剧低温抱死现象?并且?过大的温度梯度会引起较高的内应力?造成构件损坏。