上海申弘閥門有限公司
3.1 長頸閥蓋結構
LNG的溫度為-162℃，溫度特別低，而閥門的填料使用溫度不低于0℃，所以LNG超低溫閥門需要采用長頸閥蓋結構，填料位于閥蓋的上端，可以使填料遠離閥體中的介質，保證填料函處的溫度在0℃以上。同時可以避免閥桿和閥蓋上端的零部件凍結，使其處于正常工作的狀態。整個閥門裝配體的模擬溫度場如圖3.2所示，閥蓋底部的溫度在0℃以下。所以必須采用長頸閥蓋結構使填料部位遠離閥蓋底部，如圖3.2溫度場所示填料位置的溫度高于0℃。
概述隨著天然氣液化技術的快速發展,液化天然氣(LNG)的消費量目前正以每年10%的速度增長,已成為一種新興的節能和清潔能源。LNG的主要成分為甲烷、少量乙烷、丙烷以及其他成分,其沸點為-162℃,熔點為-182℃,燃點為650℃。LNG的分子量小,粘度低,滲透性強,易于泄漏和擴散,在其生產、接收、運輸和氣化等裝置中,超低溫閥門對其系統的安全可靠運行具有極為重要的作用。目前,LNG關鍵設備用的閥門需要通過技術攻關和研發超低溫球閥、截止閥、止回閥及蝶閥等,以解決產品依賴于進口和盡快國產化的技術難題。2閥門特性2.1材料選擇(1)奧氏體不銹鋼超低溫閥門材料應具有足夠的韌性和組織穩定性,以保證在低溫下不會因相變導致變形繼而影響閥門的密封性。通常情況下體心立方結構有明顯的低溫脆性,而面心立方結構有很好的低溫韌塑性。選用面心立方結構奧氏體不銹鋼304、304L、316、316L作為閥體、閥座、閥瓣及球體等關鍵零部件的材料,這些材料沒有低溫冷脆臨界溫度,在低溫條件下,仍能保持較高的韌塑性。在27～-269℃時,材料304、304L、316隨著溫度的降低,其抗拉強度和屈服強度都增高。其中材料316L
3.2 滴水板結構
22位和閥桿上部的零件的溫度在0℃以上。圖3.1和圖3.2分別是有滴水板和無滴水板整個閥體的溫度場模擬圖，通過對比我們可以看出，有滴水板的閥門閥蓋上端的溫度明顯升高。由于延長閥蓋上部的溫度較低，通常情況下閥門暴露在空氣中，空氣中的水蒸氣遇到低溫閥蓋會液化成水珠，滴水板的直徑超過中法蘭直徑，可以防止低溫液化的水蒸氣滴落在中法蘭螺栓上，避免螺栓銹蝕影響在線維修。
3.3 泄壓部件的設計
LNG氣化后體積擴大為原來的600多倍，異常升壓的問題普遍存在。當閥門關閉后，殘留在閥體腔內的LNG從周圍環境中大量吸收熱量迅速氣化，在閥體內產生很高的壓強，從而破壞球體及閥座組件，使閥門不能正常工作。所以在入口端加泄壓孔，以保證腔體和入口管道的連通防止腔體異常升壓。圖3.3箭頭所指的位置就是LNG超低溫球閥的泄壓孔。 圖3.3 LNG超低溫球閥的泄壓孔Fig3.3 The pressure relief hole of cryogenic ball valve
3.4 防靜電結構設計
圖3.4 球閥的防靜電結構
Fig3.4 The anti-static structure of cryogenic ball valve LNG具有易燃易爆的特性，所以在設計LNG超低溫閥門時，必須要設計防靜電結構。LNG球閥閥座的材料是PCTFE，這種材料聚集靜電的隱患非常大，靜電引起的火花很有可能造成管道和閥體中的LNG燃燒甚至爆炸后果不堪設想。所以在設計閥門時，必須設計導通裝置連接閥桿和閥體，閥桿和關閉件從而導出靜電，消除安全隱患[11]。圖3.4就是球體與閥桿連接處設置的防靜電結構。
3.5 密封結構設計
為保證閥門在低溫下密封的安全可靠性，在設計密封結構時，也要采用特殊的密封結構。
在低溫下采用單獨填料進行密封容易泄漏，我們通過唇式密封圈、柔性石墨填料、O型圈3重密封來保證填料處的密封，采用碟簧組預緊式結構，補償溫度波動變化時螺栓變形量的變化，同時防止長時間工作后填料等密封件的松弛。密封結構圖如圖3.5所示 圖3.5 三重密封結構 Fig3.5 Triple seal structure
3.6 防火結構設計
閥體和閥蓋連接部位采用唇式密封圈和石墨纏繞墊片的雙道密封結構如圖3.6所示，閥桿密封部位也采用唇式密封圈、石墨填料組和O形圈多重密封結構。當火災發生時，唇式密封圈熔化失效，此時中腔石墨纏繞墊片和閥桿石墨填料組起主要密封作用，防止發生外漏。球體和閥座采用金屬閥座和非金屬密封環雙重密封結構如圖3.7所示。當火災發生時，如果非金屬密封環熔化失效，則二道防火密封的金屬閥座在彈簧預緊力作用下，將閥座推向球體而阻斷管線流體防止內漏。利于倒密封結構密封，實現在線更換填料等密封件。
3.8 閥桿組合
閥桿設置帶有彈簧蓄能密封圈，彈簧蓄能密封圈隨閥腔介質壓力的增高而緊貼密封溝槽，由此形成密封，從而確保閥桿的密封效果。設置閥桿防飛結構，當閥腔異常升壓時，閥桿不會被沖出。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。采用碟簧組預緊式壓緊填料，補償溫度波動變化及長時間工作后所引起填料等密封件的松弛，結構如圖3.9所示。
263.9 球閥整體結構
所設計的LNG超低溫球閥的三維裝配圖如同圖3.10所示閥門關鍵材料低溫物性分析的實驗方法??
為了研究閥門主體材料AISI304和密封面堆焊Ni40和Ni60兩種硬質合金在低溫下的性能、低溫下尺寸的改變大小的規律、微觀組織的變化、低溫下堆焊層是否開裂，進行如下試驗：
深冷處理前后母材到堆焊層的硬度梯度測試； AISI304常溫和低溫下的沖擊和拉伸試驗；
母材+堆焊層在常溫和低溫下不同位置開坡口的沖擊試驗； 深冷處理前后母材和堆焊層金相分析； 深冷處理前后母材和堆焊層掃描電鏡分析； 深冷處理前后母材和堆焊層XRD物相分析； 沖擊試樣斷口宏觀和微觀分析；
4.1 實驗材料
本試驗中所選用的AISI304奧氏體不銹鋼、Ni-Cr-B-Si系的Ni40、Ni60硬質合金粉末的化學成分如表4.1和表4.2所示。
表4.1 AISI304化學成分(質量分數/%) Tab. 4.1 Composition of AISI304 (w/%)4.2 AISI304表面等離子堆焊硬質合金 采用等離子堆焊機在AISI304奧氏體不銹鋼表面分別堆焊Ni40和Ni60合金粉末。等離子堆焊工藝參數如表4.3所示。試驗過程中采用的等離子堆焊設備如圖4.1所示。其基本原理如圖4.2所示。等離子堆焊設備包括轉移弧電源和非轉移弧電源。陰極和噴嘴之間產生的電弧叫做非轉移弧，陰極和工件之間產生的電弧叫做轉移弧[12]。轉弧是堆焊的主要熱源[44]
。等離子堆焊設備還包括電氣控制系統、擺動機、工作氣供給系統、送粉器、焊槍、循環冷卻水系統，工件移動機等結構。等離子堆焊過程如下：
（1）非轉移弧引弧，陰極和噴嘴之間產生電弧，借助非轉移弧在陰極和工件之間引燃轉移弧。
（2）關閉非轉移弧，利用轉移弧產生的熱量熔化合金粉末和母材表面，使合金熔敷在母材表面。
（3）調整母材和焊槍的相對移動速度、焊槍的擺動幅度、送粉速度控制堆焊層的厚度和寬度。由于等離子弧能量集中、熱輸入大，所以在堆焊過程中容易產生較大的殘余應力，進而容易形成裂紋，因此在焊前將母材在400℃下保溫2h，焊后將堆焊試件放在蛭石粉中緩冷至室溫，降低熔池的冷卻速度，減少試件的殘余應力，進而降低堆焊試件的裂紋形成傾向[12]。圖4.2 等離子堆焊原理示意圖 Fig. 4.2 Schematic diagram of PTAW
4.3 沖擊試驗
材料在低溫下服役重要的性能指標就是低溫沖擊韌性[45]，通過常溫和低溫下的沖擊試驗確定AISI304及AISI304表面堆焊硬質合金在不同溫度下的沖擊韌性是非常有必要的。把AISI304加工成長度為55mm，橫截面為10mmX10mm的方型截面的標準沖擊試樣，在試樣長度中間開V型缺口。將表面堆焊Ni40和Ni60硬質合金的AISI304按圖4.3加工成沖擊試樣，堆焊層和母材厚度各為5mm，表面堆焊Ni40硬質合金的試件分別在母材側、堆焊層側、堆焊層和母材搭接側開V型坡口。表面堆焊Ni60硬質合金的試件在母材側開V型坡口。V型缺口夾角45°，其深度為2mm，底部曲率半徑為0.25mm。各組試樣分別在常溫、-60℃、-100℃、-140℃和-196℃溫度下進行夏比V型坡口沖擊試驗。試驗中所采用的低溫沖擊試驗設備如圖4.4所示。將沖擊試樣放入低溫沖擊試驗機配套的低溫箱中，吹入液氮，試樣溫度持續下降，冷卻至溫度后，在此溫度下保溫20分鐘，然后通過自動推送裝置，依次將沖擊試樣從低溫箱中推入到試樣臺上，進行沖擊試驗。為了研究AISI304在常溫和低溫下的塑性和強度的變化，通過常溫和-196℃的拉伸試驗測量AISI304在室溫及低溫下的屈服強度、抗拉強度斷后伸長率和斷面收縮率。
常溫拉伸試驗的試樣、試驗方法等*按GB228-2002金屬材料室溫拉伸試驗方法進行，試樣尺寸為φ5mm標準短試樣。 低溫拉伸試驗的試樣、試驗方法等按GB/T13239-2006金屬材料低溫拉伸試驗方法進行，試樣尺寸為φ5mm短試樣。低溫拉伸試驗設備如圖4.5所示。(A) 為配套的液氮冷卻裝置，(B)為低溫環境箱內部結構，環境箱里為拉伸試樣，鐵絲狀為熱電偶。(C)左側為環境箱外觀，右側為溫度控制器(顯示為-81)℃，環境箱背部白色管為液氮輸送管因為已經結霜，所以為白色。試驗過程中將試樣裝夾到低溫拉伸試驗機上，向低溫箱中通入液氮，達到設定溫度后，保持20分鐘，進行拉伸試驗。
4.5 顯微硬度測試
使用型號為MVC-1000B維氏硬度計測量AISI304+Ni40和AISI304+Ni60從母材到堆焊層在深冷處理前及深冷處理后的硬度梯度，總結深冷處理對材料硬度的影響。MVC-1000B維氏硬度計使用載荷為1000g，加載時間為15s。首先在常溫下對各試樣進行硬度測試，再對各試樣進行深冷處理，深冷處理的溫度分別是-60℃、-100℃、-140℃和-196℃，深冷處理時間為2小時。深冷處理后再對各試樣進行硬度測試，對比深冷處理前后的硬度變化。
4.6 低溫對材料形狀尺寸的影響
1）把AISI304加工成φ10×22mm的試樣，分別測量其在常溫和-196℃下的直徑和長度，計算AISI304在-196℃下長度方向和直徑方向的尺寸改變率。
2）把AISI304加工成φ50×20mm的閥瓣模擬試樣，表面研磨平整，光潔度達到▽10，經過-196℃兩小時的深冷處理后在室溫下用測微計測量表面的不平整度。測量完成后再將其表面研磨平整，光潔度達到▽10再對其進行-196℃兩小時的深冷處理之后再測量其表面的不平整度。
4.7 顯微組織觀察
為了研究深冷處理對材料微觀組織的影響，在深冷處理前后利用
Nikon-MA100金相顯微鏡和ZEISS EVO 18掃描電子顯微鏡對AISI304和堆焊層組織Ni40和Ni60進行原位觀察，用MVC-1000B維氏硬度計在試樣上留下壓痕做標記，對比深冷處理前后的壓痕附近金相照片和掃描照片。試樣制備過程如下所示：
1）利用線切割切取試樣；按照如圖4.6示意圖從堆焊層中間區域切取試樣，避免在起弧和收弧處切取試樣。試樣尺寸為15mm×15mm×15mm，試樣截面如圖4.7所示。
圖4.6 切取試樣位置示意圖 Fig. 4.6 Schematic of sample location
圖4.7 試樣尺寸 Fig. 4.7 The sample size
2）用200~1500#砂紙打磨試樣； 3）利用拋光劑進行拋光；
4）用化學試劑腐蝕試樣，AISI304所選用的腐蝕劑為HCl:HNO3=3:1；Ni40和Ni60采用電解腐蝕，拋光液: 10g草酸+100mLH2O；電壓：6V；時間：10s。
4.8 XRD物相分析
深冷前后為了進一步研究深冷處理對AISI304、Ni40、Ni60硬質合金物相的影響，利用型號為島津XRD-6000的X-射線衍射儀在深冷處理前后分別進行物相分析，對比深冷處理前后材料物相的變化。試樣制備過程如下所示：
1）利用線切割在母材和堆焊層分別切取試樣尺寸為10mm×4mm×4mm
2）用200~600#砂紙打磨試樣使其表面平整；
3）超聲波清洗。
4.9 沖擊試樣斷口分析
要研究低溫鋼低溫下的斷裂性能，對斷口分析的研究*。對沖擊后的試樣進行宏觀和微觀斷口分析，可以確定材料在不同溫度下的斷裂類型。裂紋的萌生與擴展是材料斷裂的兩個過程，裂紋形成功和與裂紋擴展功共同構成了夏比按照如圖4.6示意圖從堆焊層中間區域切取試樣，避免在起弧和收弧處切取試樣。試樣尺寸為15mm×15mm×15mm，試樣截面如圖4.7所示。
圖4.6 切取試樣位置示意圖 Fig. 4.6 Schematic of sample location 圖4.7 試樣尺寸 Fig. 4.7 The sample size
2）用200~1500#砂紙打磨試樣；
3）利用拋光劑進行拋光；
4）用化學試劑腐蝕試樣，AISI304所選用的腐蝕劑為HCl:HNO3=3:1；Ni40和Ni60采用電解腐蝕，拋光液: 10g草酸+100mLH2O；電壓：6V；時間：10s。
4.8 XRD物相分析
深冷前后為了進一步研究深冷處理對AISI304、Ni40、Ni60硬質合金物相的影響，利用型號為島津XRD-6000的X-射線衍射儀在深冷處理前后分別進行物相分析，對比深冷處理前后材料物相的變化。試樣制備過程如下所示：
1）利用線切割在母材和堆焊層分別切取試樣尺寸為10mm×4mm×4mm
2）用200~600#砂紙打磨試樣使其表面平整；
3）超聲波清洗。
4.9 沖擊試樣斷口分析
要研究低溫鋼低溫下的斷裂性能，對斷口分析的研究*。對沖擊后的試樣進行宏觀和微觀斷口分析，可以確定材料在不同溫度下的斷裂類型。裂紋的萌生與擴展是材料斷裂的兩個過程，裂紋形成功和與裂紋擴展功共同構成了夏比與本文相關的論文有：氣體減壓閥在草珊瑚牙膏的應用
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