低溫試驗是對低溫閥門性能驗證的一個重要手段，現行標準規定的閥門低溫試驗方法與實際工況有一定的差異，不當的操作容易造成試驗結果的失真，甚至對受試閥門的損害。本文主要針對低溫球閥的特殊結構，分析了閥門低溫試驗中容易出現的問題，并結合實際操作經驗，提出了一些應對措施。

1、前言

　　球閥以啟閉迅速、密封可靠、結構簡單、重量輕、流阻小等特點，目前在低溫管道系統得到較廣泛應用。用于工業低溫管道的球閥，除少量一部分特殊用途、非典型結構外，大都為非金屬軟密封閥座結構，由于其運行工況惡劣，作用關鍵，因此密封要求高，性能考核嚴格，其低溫性能試驗是生產與使用過程中的一道關鍵工序。

　　球閥的低溫試驗具有一定的特殊性，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為了解掌握球閥低溫試驗的原理、方法及特性，科學、合理地利用低溫試驗的手段，對促進低溫球閥的研究、生產，持續提高產品質量，保障重點工程建設均有著重要的意義。

2、閥門的低溫試驗

2.1、目的

　　閥門低溫試驗是檢驗低溫閥門在低溫模擬工況環境下的性能，可以對低溫閥門整機性能作出評價。目前，閥門低溫試驗所執行的標準主要是：GB /T24925-2010、BS 6364:1984 等。低溫試驗的主要內容有: 檢驗密封件、填料、上密封等處的密封情況；整機帶壓工況的操作性能等。檢測參數有: 閥體、閥蓋、閥桿、閥瓣、填料函、冷媒及環境溫度；閥門出口端的瞬間泄漏量、累積泄漏量和平均泄漏量；試驗介質壓力極其變動情況。試驗介質一般為氦氣。

2.2、試驗裝置

　　閥門的低溫試驗裝置如圖1 所示，試驗裝置主要由低溫系統、壓力系統和測控系統3 部分組成。低溫系統以液氮作冷媒，營造合適的低溫環境，應具備浸漬和噴淋兩種降溫模式，其中噴淋降溫法要能實現0 ～-196℃溫度可調；壓力系統控制試驗介質壓力，提供試驗需要的壓力源，對于貴重試驗介質，應能盡可能實現回收重復利用；測控系統負責試驗過程中各物理量的采集、歸納、評定，輔助參數和試驗參數的管理，整個試驗裝置的過程控制，并提供完備的人機操作界面。

圖1 閥門低溫試驗原理

2.3、試驗過程

　　低溫試驗前，應使受試閥門充分干燥，去除閥內的油脂及雜物。將低溫閥門安裝在低溫試驗槽內，連接好所有接頭，保證閥門填料部分位于保溫蓋以上，且溫度保持在0℃ 以上。將閥門浸入低溫介質中，低溫介質蓋住閥體與閥蓋連接部分上端，或使用噴嘴向閥門的閥蓋頸部以下均勻噴淋低溫介質，使閥門冷卻至相應的試驗溫度。保持一定的時間，直到各處的溫度穩定為止，溫度變化應在± 5℃以內。開關閥門若干次，檢驗其低溫操作性能；關閉閥門，按正常流向加壓，進行密封試驗。再將閥門處于半開狀態，關閉出口端的針型閥，檢驗閥門填料、閥體和閥蓋連接處的密封性。將試驗結果與相應標準對照，判定結果，形成結論。

3、球閥低溫試驗中應該注意的問題

3.1、與實際工況的差異

　　目前的標準、資料所推薦的低溫試驗方法幾乎都是采用外冷法，即利用冷媒從受試閥門外部提取熱量，降低閥門溫度。而低溫閥門的實際工況條件是: 低溫介質從閥門內部流過，外部接觸常溫或相對較高溫度環境。

　　外冷法帶來的問題是使低溫閥門在試驗初期產生一個與實際工況相反的溫度梯度，對低溫球閥而言，閥體和閥蓋快速冷卻，產生體積收縮，而此時球體、閥座尚未完全冷透，特別是由于非金屬閥座的隔熱作用，進一步延緩了熱量傳遞過程。此時，原有的配合被改變，非金屬閥座或組合閥座的非金屬密封圈可能會受到過度擠壓，造成各部件動作困難，我們姑且稱這種現象為: 低溫抱死。低溫抱死會使非金屬閥座產生永久性變形，即所謂“冷流”現象，并且，聚四氟乙烯等非金屬材料的熱膨脹系數要大于金屬材料，隨著內、外溫度的逐漸平衡，內件收縮，密封比壓降低或消失，密封副失效。即使低溫試驗合格的產品，由于低溫管道實際工況的溫度梯度可能始終存在，閥門殼體的溫度水平高于內件，裝配時預加的密封比壓會有所降低，仍可能會造成密封效果下降。

3.2、低溫抱死

　　低溫抱死帶來的損害有時會很嚴重，除了對閥座的擠壓外，連接殼體的緊固件和密封元件也會受到應力異常升高帶來的損害，殼體和內件相互抱緊后，受力情況復雜，嚴重時也可能會造成結構上的永久改變。

　　低溫球閥產生低溫抱死后最忌立即進行開、關操作，此時的開、關操作在極大的應力作用下很容易在閥座的密封面上產生一系列壓痕，甚至會造成球體端口對閥座的“啃切”現象，使閥座完全失效。

　　防止低溫抱死損害的有效手段是控制好降溫速率，降溫過程中保持閥門處于全開或全關位置，設法進行閥內溫度的測定，維持一定的溫度穩定時間，開、關操作前要盡可能保持閥門內、外溫度平衡。

3.3、材料低溫特性的影響

　　目前低溫閥門，特別是LNG 等介質用超低溫閥門的金屬用材主要以304、304L、316、316L 等Ni—Cr 奧氏體不銹鋼為主，這類材料在低溫下仍能保持較好的強度和韌性，但這類材料也存在著某些不足，這些材料都屬于亞穩定型不銹鋼，在低溫下會發生向馬氏體的金相轉變，由于體心立方晶格的馬氏體致密度低于面心立方晶格的奧氏體，低溫相變后會引起體積膨脹而導致零件變形。此外，溫度降低還會造成金屬結構的收縮，由于零件各部分收縮不均勻，就產生了溫度應力，當溫度應力超出了材料的屈服極限時，零件將產生不可逆的永久變形。因此，低溫閥門零部件的深冷處理工藝是很關鍵的，深冷處理的目的就是使這些相變和變形在精加工之前充分發生，以保證成品零、部件的結構穩定。零部件沒有經過深冷處理的低溫閥門在進入低溫環境后可能會造成整機性能全面失效。

　　低溫球閥的非金屬閥座一般以聚四氟乙烯( PTFE) 、聚三氟氯乙烯( PCTFE) 等構成，PTFE 和PCTFE 的理論脆化溫度均為-180 ～- 195℃，但實際上，商業化采購的產品遠達不到這樣的溫度，閥座的低溫脆性帶來的損害有時是嚴重的，脆化后的閥座已失去了彈性補償能力，如果球體精度沒有足夠高，很難達到密封要求，特別對于中國標準規定的軟密封閥座的零泄漏要求。此外，脆化后的閥座硬度急劇升高，有可能造成球體表面損傷或閥座脆裂。

3.4、降溫速率的影響

　　浸漬法降溫的速率其實是很難控制的，取決于閥門表面狀況和材料的導熱系數。但噴淋方式可以通過控制液氮噴淋量來調節降溫速率。從理論上來說，較低的降溫速率可以降低閥門內、外溫差，減小溫度梯度，對試驗過程有利，但會增加液氮的消耗。降溫速率應視受試閥門的具體參數而定，如通徑、壁厚、結構情況、內件組成等。過快的降溫速率會加劇低溫抱死現象，并且，過大的溫度梯度會引起較高的內應力，造成構件損壞。

圖2 閥門、外降溫過程

4、試驗用冷媒和介質的消耗控制

4.1、冷媒消耗及其控制

　　低溫試驗中冷媒的理想消耗應該是: 受試閥門連同試驗槽內的附屬設施從室溫降低到規定溫度所需要帶走的熱量，等于所消耗冷媒的汽化潛熱總量。減少冷媒消耗是降低試驗成本的一項重要措施，減少冷媒消耗可以從以下方面著手: (1)選擇容積合適的低溫試驗槽；(2) 盡可能減小試驗槽內的多余空間，可以用熱容量較小的材料填塞多余空間；(3) 對于需要溫度調節的試驗，盡量采用噴淋方式調溫，避免使用酒精稀釋冷媒后的浸漬；(4) 集中安排試驗，同規格的產品可以進行連續試驗，以合理利用殘液；(5) 加強保溫措施，減少冷量的額外損耗。

4.2、試驗介質消耗及其控制

　　低溫試驗的介質一般規定為氦氣，氦氣是一種惰性氣體，標準大氣壓下的液化溫度為-269℃，是用于閥門低溫試驗比較合適的介質。但氦氣的市場價格昂貴，而大口徑、高壓力閥門低溫試驗的氦氣消耗量巨大，因此，氦氣的消耗控制及回收重復利用意義重大。從原理上來說，氦氣的回收技術并不復雜，重要的是其過程的可操作性和操作的安全性設計。曾有人擔心氦氣回收后的純度問題，其實，閥門低溫試驗對氦氣的純度要求并不高，而且，閥門在低溫試驗過程中，首先對閥腔進行氦氣吹掃，以排除內腔空氣。閥門低溫試驗時的深冷高壓環境已超過了絕大部分物質的液化凝結點，回收后的氦氣純度變化不大，對低溫試驗的重復使用也沒多少影響。

5、安全防范措施

　　閥門的低溫試驗是一項具有一定危險性的工作，安全防范措施十分重要。其危險性主要體現在: 液氮大量揮發造成的局部缺氧，會引起人員窒息；可能會出現的對人員的低溫“燙傷”；試驗介質大量泄漏而引起的冷媒飛濺；以及儀器、儀表的低溫損壞。因此，低溫試驗的工作場所要保持良好的通風，必要時，還需進行人工強制通風。要以相關標準為依據，科學、合理地制定企業低溫閥門試驗操作規程。操作人員必須持證上崗，并配備必要的安全防護裝備，要特別注意對臉、手等暴露在外的身體部位的保護，低溫操作時應嚴格禁止一個人在現場工作。試驗設備上要設置緊急停車功能，并使其操作部件處于最醒目和便于操作位置。對于高壓、大口徑等高參數試驗，應盡可能進行遠距離操作。受試閥門在低溫試驗槽內要有固定和夾緊措施。儀器、儀表的選擇要注重其抗低溫特性，及低溫下的性能穩定性，防止其非耐低溫部位接觸低溫環境。對于暴露在外的低溫設備或設備的低溫部位要設立警示標志，并進行隔離，避免對無關人員的意外傷害。

6、結語

　　現行標準規定的閥門低溫試驗方法與低溫閥門的實際運行工況環境有一定的差異，應合理的控制降溫速率、降溫方式、保溫時間，使試驗條件盡可能接近實際工況。對于球閥的低溫試驗，要注意其構件材料的低溫特性，防止低溫抱死、冷流等對受試閥門的損害。閥門低溫試驗中的冷媒和試驗介質價格昂貴且消耗較大，應注意消耗控制，或對其回收重復利用。要加強安全防范措施，防止低溫對人員和設備的傷害。