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超低溫深冷焊接式截止閥結構設計優化引言

        超低溫截止閥是應用于低溫工況下的截止設備，一般工況溫度在-100℃以下.低溫工業在工業領域中占有重要的地位，以天然氣為例，為了使天然氣更加方便運輸，工業上一般用降溫和壓縮的方法將氣化天然氣轉化為液化天然氣（LNG），在標準大氣壓下的沸點是-162℃，氣化后體積為液態時的600倍。超低溫截止閥作為低溫工業用的一種主要閥門與重要截止設備，對其密封結構的設計與研究具有重大的意義.704研究所通過大量的研究試驗，針對-196℃超低溫工況，研制出了可在此溫度環境中工作的超低溫閥門樣機。

1 超低溫深冷焊接式截止閥結構設計優化對材料的要求

 在常溫工況下應用的閥門，材料選擇的范圍比較廣泛。超低溫截止閥的使用工況在-100℃以下，對材料的要求較為嚴格。在工作溫度下，材料不應產生低溫脆性破壞，材料的組織結構應穩定，以防止材料相變而引起體積變化；采用焊接結構時，材料的焊接性能要好，在低溫下焊縫具有較高的可靠性；閥門在低溫工況下頻繁啟閉，其閥瓣、閥桿、閥座等零部件應避免卡阻、咬合與擦傷等現象。基于上述要求，低溫截止閥主要零件推薦選用的材料。

低溫截止閥采用法蘭和焊接式連接，低溫截止閥短軸-40℃和-196℃長軸結構，主要用于介質截止和調節，低溫截止閥全不銹鋼304材質，有中高壓結構設計，經低溫工藝處理，主要用于深冷介質管路，適用于-196℃的液氧、液氮、液氬、液化天然氣、液態二氧化碳、液態丙烷等介質。

用于截斷或接通管路中的介質。通過選擇碳鋼、不銹鋼、合金鋼等閥門材質，低溫截止閥系列有美標,國標,體蓋內件材料做低溫沖擊試驗,超低溫截止閥深冷處理，可分別適用于水、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氧化性介質、尿素等多種介質。低溫截止閥的驅動裝置可選用手動、齒輪傳動、氣動或電動。低溫截止閥一般采用法蘭連接，也可采用對焊連接。

超低溫深冷焊接式截止閥結構設計優化的設計要求

    根據使用條件，低溫截止閥的設計有下列要求：

   1、低溫截止閥在低溫介質及周圍環境溫度下應具有長時間工作的能力。

   2、低溫截止閥不應成為低溫系統的一個顯著熱源。這是因為熱量的流入除降低熱效率外，如流入過多，還會使內部流體急速蒸發，產生異常升壓，造成危險。

   3、低溫介質不應對手輪操作及填料密封性能產生有害的影響。

   4、直接與低溫介質接觸的國標低溫鑄鋼截止閥組合件應具有防爆和防火結構。

   5、在低溫下工作的閥門組合件無法潤滑，所以需要采取結構措施，以防止摩擦件擦傷。

超低溫深冷焊接式截止閥結構設計優化主要技術參數:

DJ61F-40P長軸低溫截止閥--產品規范:

低溫長軸截止閥原理：

低溫長軸截止閥DJ61F應用于氣體液化設備、空分設備；天然氣液化、儲運設備；液態氧、氮、氬、氫、二氧化碳低溫貯槽及槽車；變壓吸附制氧、氮設備。低溫長軸截止閥DJ41F-40P用于低溫儲罐的出液口和進液口，因為低溫儲罐內的介質溫度極低，溫度在短時間內容易傳到至手柄的頂端。所以接觸低溫液體面積較大的部位管路采用低溫長軸截止閥。低溫閥門廣泛應用于能源、石化、冶金、航天、核工業等行業。 

低溫長軸截止閥型號： 

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

        2 超低溫深冷焊接式截止閥結構設計優化主密封結構設計

        超低溫截止閥采用閥瓣與閥座接觸的錐面密封結構，密封副設計成金屬對金屬的硬密封形式，閥座設計在閥體上，和閥體組成一體結構，如圖2所示。為保證閥門的可靠密封，在閥瓣和閥體密封面上噴焊硬質合金。經過低溫試驗及涂層力學性能試驗，證明噴涂后硬度增加，低溫環境耐磨性能良好，促進閥門在低溫環境的可靠密封。經過查閱資料和實驗應用，我們采用等離子噴焊技術對閥體密封面噴焊StelliteNo6合金，對閥瓣密封面噴焊StelliteNo12合金，厚度≥1mm。經過噴焊工藝處理，附著StelliteNo12合金的閥瓣密封面的硬度較附著StelliteNo6合金的閥體密封面的硬度大，有利于截止閥的密封效果。

        由于超低溫截止閥的使用工況在-100℃以下，閥瓣和閥體在噴焊硬質合金后，要進行深冷處理.本文設計的超低溫截止閥樣機的閥體與閥瓣粗加工后，浸在-196℃的液氮中保冷2h，然后取出自然處理。另外，閥桿、長頸閥蓋、螺紋緊固件等主要部件在精加工前均進行深冷處理。

        超低溫截止閥的閥桿帶動閥瓣通過上下的直線運動實現閥門的啟閉。在設計閥體時增加了閥瓣的運動導向功能，在閥體中設計圓柱形導向壁，使閥瓣運動平穩，閥門啟閉可靠。同時，在閥門生產加工過程中，由于閥瓣密封面與閥體密封面均噴焊了Stellite合金，硬度大大提高，密封面的加工及研磨有一定的難度，而主密封面必須要精準的研磨配合，才能有效密封。導向壁的設計使閥瓣與閥體密封面的接觸配合更加均勻，有利于實現截止閥的可靠密封與加工工藝。

        根據超低溫截止閥主密封結構，使用ANSYS軟件對其密封性能進行模擬。超低溫截止閥在低溫狀態下，通過有限元分析得到的密封比壓，來判斷該閥門的密封性能。

        幾何建模為了使建立的模型便于有限元分析，實際模型對一些不影響結構與性能分析的部分進行了一定的簡化，如螺孔、螺栓、墊片等。同時為防止管路兩端的約束影響到閥體本身，將進出口外接管路各加長了0.3m，建立的三維模型如圖3所示。

        有限元建模仿真通過定義閥門的材料性能參數、邊界條件、載荷條件等內容，進行仿真計算，密封面比壓分布如圖4所示。

        由仿真結果得到，超低溫截止閥在低溫工況下，其密封面的密封比壓介于必須比壓和許用比壓范圍之內，閥門的密封結構可以實現有效密封。

        3 超低溫深冷焊接式截止閥結構設計優化外密封結構設計

        超低溫截止閥的外密封包括中法蘭處的密封和長頸閥蓋頂端的密封（即上密封）。外密封結構見圖5與圖6。

        超低溫截止閥中法蘭處采用不銹鋼纏繞式墊片實現密封。按照其密封所必須的比壓計算出施加于法蘭螺栓的力矩，通過預緊力達到可靠的密封。螺栓處加裝碟型彈簧，對預緊力和位移進行補償。

        螺紋連接的擰緊力矩計算用力矩扳手正規測定擰緊力矩時，所需力矩為：

     超低溫截止閥上密封由填料單獨實現時，通過計算得出填料壓蓋施加于填料的預緊力，并在螺栓上加裝碟型彈簧，提供預緊力和位移的補償，克服由于高低溫變化填料產生的微觀脹縮及密封預緊力的改變。

        填料壓蓋螺栓連接的擰緊力矩可參照公式1計算。以此處兩個M12的螺栓計算為例，得力矩T=28Nm。在裝配時，可使用力矩扳手對此處的螺栓施加28Nm的力矩。

        4 超低溫深冷焊接式截止閥結構設計優化結語

        綜上所述，超低溫截止閥的密封技術在設計上是可行的，加工工藝可以實現.目前，704研究所已研制出超低溫截止閥樣機一臺，并對樣機進行了常溫和超低溫的試驗。在現有成果的基礎上，繼續進行系列化超低溫閥門的技術研究，對低溫工業及超低溫領域的開發與探索都具有深遠的意義。