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超低溫深冷焊接式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化引言

        超低溫截止閥是應(yīng)用于低溫工況下的截止設(shè)備，一般工況溫度在-100℃以下.低溫工業(yè)在工業(yè)領(lǐng)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(yùn)輸，工業(yè)上一般用降溫和壓縮的方法將氣化天然氣轉(zhuǎn)化為液化天然氣（LNG），在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)是-162℃，氣化后體積為液態(tài)時(shí)的600倍。超低溫截止閥作為低溫工業(yè)用的一種主要閥門與重要截止設(shè)備，對(duì)其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究具有重大的意義.704研究所通過大量的研究試驗(yàn)，針對(duì)-196℃超低溫工況，研制出了可在此溫度環(huán)境中工作的超低溫閥門樣機(jī)。

1 超低溫深冷焊接式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)材料的要求

 在常溫工況下應(yīng)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(duì)材料的要求較為嚴(yán)格。在工作溫度下，材料不應(yīng)產(chǎn)生低溫脆性破壞，材料的組織結(jié)構(gòu)應(yīng)穩(wěn)定，以防止材料相變而引起體積變化；采用焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，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(yīng)避免卡阻、咬合與擦傷等現(xiàn)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(jié)構(gòu)，主要用于介質(zhì)截止和調(diào)節(jié)，低溫截止閥全不銹鋼304材質(zhì)，有中高壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)低溫工藝處理，主要用于深冷介質(zhì)管路，適用于-196℃的液氧、液氮、液氬、液化天然氣、液態(tài)二氧化碳、液態(tài)丙烷等介質(zhì)。

用于截?cái)嗷蚪油ü苈分械慕橘|(zhì)。通過選擇碳鋼、不銹鋼、合金鋼等閥門材質(zhì)，低溫截止閥系列有美標(biāo),國標(biāo),體蓋內(nèi)件材料做低溫沖擊試驗(yàn),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(zhì)、尿素等多種介質(zhì)。低溫截止閥的驅(qū)動(dòng)裝置可選用手動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、氣動(dòng)或電動(dòng)。低溫截止閥一般采用法蘭連接，也可采用對(duì)焊連接。

超低溫深冷焊接式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的設(shè)計(jì)要求

    根據(jù)使用條件，低溫截止閥的設(shè)計(jì)有下列要求：

   1、低溫截止閥在低溫介質(zhì)及周圍環(huán)境溫度下應(yīng)具有長時(shí)間工作的能力。

   2、低溫截止閥不應(yīng)成為低溫系統(tǒng)的一個(gè)顯著熱源。這是因?yàn)闊崃康牧魅氤档蜔嵝释猓缌魅脒^多，還會(huì)使內(nèi)部流體急速蒸發(fā)，產(chǎn)生異常升壓，造成危險(xiǎn)。

   3、低溫介質(zhì)不應(yīng)對(duì)手輪操作及填料密封性能產(chǎn)生有害的影響。

   4、直接與低溫介質(zhì)接觸的國標(biāo)低溫鑄鋼截止閥組合件應(yīng)具有防爆和防火結(jié)構(gòu)。

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

超低溫深冷焊接式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要技術(shù)參數(shù):

DJ61F-40P長軸低溫截止閥--產(chǎn)品規(guī)范:

低溫長軸截止閥原理：

低溫長軸截止閥DJ61F應(yīng)用于氣體液化設(shè)備、空分設(shè)備；天然氣液化、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備；液態(tài)氧、氮、氬、氫、二氧化碳低溫貯槽及槽車；變壓吸附制氧、氮設(shè)備。低溫長軸截止閥DJ41F-40P用于低溫儲(chǔ)罐的出液口和進(jìn)液口，因?yàn)榈蜏貎?chǔ)罐內(nèi)的介質(zhì)溫度極低，溫度在短時(shí)間內(nèi)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(yīng)用于能源、石化、冶金、航天、核工業(yè)等行業(yè)。 

低溫長軸截止閥型號(hào)： 

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

        2 超低溫深冷焊接式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        超低溫截止閥采用閥瓣與閥座接觸的錐面密封結(jié)構(gòu)，密封副設(shè)計(jì)成金屬對(duì)金屬的硬密封形式，閥座設(shè)計(jì)在閥體上，和閥體組成一體結(jié)構(gòu)，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(zhì)合金。經(jīng)過低溫試驗(yàn)及涂層力學(xué)性能試驗(yàn)，證明噴涂后硬度增加，低溫環(huán)境耐磨性能良好，促進(jìn)閥門在低溫環(huán)境的可靠密封。經(jīng)過查閱資料和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，我們采用等離子噴焊技術(shù)對(duì)閥體密封面噴焊StelliteNo6合金，對(duì)閥瓣密封面噴焊StelliteNo12合金，厚度≥1mm。經(jīng)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(zhì)合金后，要進(jìn)行深冷處理.本文設(shè)計(jì)的超低溫截止閥樣機(jī)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(jìn)行深冷處理。

        超低溫截止閥的閥桿帶動(dòng)閥瓣通過上下的直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉。在設(shè)計(jì)閥體時(shí)增加了閥瓣的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向功能，在閥體中設(shè)計(jì)圓柱形導(dǎo)向壁，使閥瓣運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，閥門啟閉可靠。同時(shí)，在閥門生產(chǎn)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(zhǔn)的研磨配合，才能有效密封。導(dǎo)向壁的設(shè)計(jì)使閥瓣與閥體密封面的接觸配合更加均勻，有利于實(shí)現(xiàn)截止閥的可靠密封與加工工藝。

        根據(jù)超低溫截止閥主密封結(jié)構(gòu)，使用ANSYS軟件對(duì)其密封性能進(jìn)行模擬。超低溫截止閥在低溫狀態(tài)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(shí)際模型對(duì)一些不影響結(jié)構(gòu)與性能分析的部分進(jìn)行了一定的簡化，如螺孔、螺栓、墊片等。同時(shí)為防止管路兩端的約束影響到閥體本身，將進(jìn)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(shù)、邊界條件、載荷條件等內(nèi)容，進(jìn)行仿真計(jì)算，密封面比壓分布如圖4所示。

        由仿真結(jié)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(nèi)，閥門的密封結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)有效密封。

        3 超低溫深冷焊接式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化外密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)密封。按照其密封所必須的比壓計(jì)算出施加于法蘭螺栓的力矩，通過預(yù)緊力達(dá)到可靠的密封。螺栓處加裝碟型彈簧，對(duì)預(yù)緊力和位移進(jìn)行補(bǔ)償。

        螺紋連接的擰緊力矩計(jì)算用力矩扳手正規(guī)測定擰緊力矩時(shí)，所需力矩為：

     超低溫截止閥上密封由填料單獨(dú)實(shí)現(xiàn)時(shí)，通過計(jì)算得出填料壓蓋施加于填料的預(yù)緊力，并在螺栓上加裝碟型彈簧，提供預(yù)緊力和位移的補(bǔ)償，克服由于高低溫變化填料產(chǎn)生的微觀脹縮及密封預(yù)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(jì)算。以此處兩個(gè)M12的螺栓計(jì)算為例，得力矩T=28Nm。在裝配時(shí)，可使用力矩扳手對(duì)此處的螺栓施加28Nm的力矩。

        4 超低溫深冷焊接式截止閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)語

        綜上所述，超低溫截止閥的密封技術(shù)在設(shè)計(jì)上是可行的，加工工藝可以實(shí)現(xiàn).目前，704研究所已研制出超低溫截止閥樣機(jī)一臺(tái)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了常溫和超低溫的試驗(yàn)。在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，繼續(xù)進(jìn)行系列化超低溫閥門的技術(shù)研究，對(duì)低溫工業(yè)及超低溫領(lǐng)域的開發(fā)與探索都具有深遠(yuǎn)的意義。