吳超俊 繆克在 胡志濤 方威 張帆

摘 要：為了研究低溫閥門關(guān)鍵性能與結(jié)構(gòu)，本文對(duì)比了GB/T 24925—2019、BS 6364-1984（R1998）、ISO 28921-1：2022、MSS SP-134-2012等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、主要技術(shù)指標(biāo)、測(cè)試方法的區(qū)別以及由此產(chǎn)生的影響。綜述了低溫閥門的應(yīng)用工況、典型產(chǎn)品分類、典型殼體材料、典型結(jié)構(gòu)特征以及國內(nèi)外常用標(biāo)準(zhǔn)分類等，指出了低溫閥門的溫度范圍、伸長頸部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征以及需進(jìn)行低溫性能試驗(yàn)的溫度臨界點(diǎn)等。闡述了國標(biāo)GB/T 24925—2019規(guī)定的低溫試驗(yàn)過程未區(qū)分硬密封與軟密封閥座泄漏率以及閥座泄漏率測(cè)量的局限性，通過理論分析驗(yàn)證說明了閥座泄漏率準(zhǔn)確測(cè)量與換算方法，為低溫閥門性能提升以及國標(biāo)的完善與修訂提供技術(shù)指引。

關(guān)鍵詞：低溫閥門，關(guān)鍵性能，低溫性能試驗(yàn)，閥座泄漏率

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.028

0 引 言

低溫閥門廣泛應(yīng)用于LNG、LO2、LN2、乙烯、丙烯等低溫制冷工況領(lǐng)域，起到流通、截?cái)?、調(diào)節(jié)等關(guān)鍵作用，其典型結(jié)構(gòu)特征為具有伸長頸部閥蓋、部分帶有隔離滴盤等結(jié)構(gòu)。常見低溫閥門產(chǎn)品分為低溫球閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫止回閥、低溫蝶閥、低溫控制閥、低溫緊急切斷閥等。低溫閥門常用殼體材質(zhì)分為奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鋁合金、銅合金等。低溫閥門的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 24925—2019[1]、BS 6634—1984（R1998）[2]、ISO28921-1：2022[3]、MSS SP-134-2012[4]之中的適用范圍、主要技術(shù)指標(biāo)、低溫測(cè)試方法等存在較大差異，以及國標(biāo)GB/T 24925—2019關(guān)于閥座泄漏率的軟密封與硬密封指標(biāo)不區(qū)分的局限性，經(jīng)常引起閥門工廠的標(biāo)準(zhǔn)理解與技術(shù)制作的混淆，不利于出口貿(mào)易以及實(shí)現(xiàn)以國代進(jìn)的應(yīng)用。本文結(jié)合學(xué)者研究與實(shí)踐總結(jié)，闡述了常用低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)分類，通過國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析，重點(diǎn)從低溫閥門適用范圍、主要技術(shù)指標(biāo)、測(cè)試方法來分析技術(shù)差異以及由此產(chǎn)生的影響。通過理論分析驗(yàn)證，提出了低溫閥門閥座泄漏率的準(zhǔn)確測(cè)量與換算方法，為低溫閥門產(chǎn)品質(zhì)量提升、縮小國內(nèi)外差距提供技術(shù)支撐。

1 標(biāo)準(zhǔn)分類

目前國內(nèi)外，常用低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)主要分類如下：

（1）國際標(biāo)準(zhǔn)：ISO 28921-1：2022、ISO 28921-2：2015[5]。

（2）英標(biāo)：BS 6364—1984（R1998），目前已作廢，但歐美國家閥門工廠仍然采信其指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)貨。

（3）美標(biāo)：MSS SP-134-2012，該標(biāo)準(zhǔn)被ASMEB 16.34-2020[6]引用，但閥門行業(yè)內(nèi)較少使用。

（4）國標(biāo)、行標(biāo)：GB/T 24925—2019《低溫閥門技術(shù)條件》、JB/T 12621—2016[7]《液化天然氣閥門技術(shù)條件》、GB/T 24918—2010《低溫介質(zhì)用緊急切斷閥》等，其中GB/T 24925—2019國內(nèi)最為常用。

（5）安全技術(shù)規(guī)范：TSG D7002—2023[8]《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》附錄E3規(guī)定了低溫閥門的型式試驗(yàn)項(xiàng)目與方法等要求。

2 技術(shù)差異分析及影響

通過對(duì)比分析GB/T 24925—2019、BS 6634—1984（R1998）、ISO 28921-1：2022、MSS SP-134-2012等低溫閥門常用標(biāo)準(zhǔn)，從適用范圍、主要技術(shù)指標(biāo)、測(cè)試方法等多方面分析技術(shù)差異及影響，見表1～表4。

2.1 適用范圍

由表1分析可知：（1）國際、國外標(biāo)準(zhǔn)I S O28921-1：2022、MSS SP-134-2012、BS 6364—1984（R1998）較國標(biāo)GB/T 24925—2019在公稱壓力、公稱尺寸方面范圍更廣。（2）國標(biāo)GB/T 24925—2019在適用溫度范圍、適用產(chǎn)品類型方面較ISO 28921-1：2022和BS 6364—1984（R1998）標(biāo)準(zhǔn)更廣；但根據(jù)安全技術(shù)規(guī)范TSG D7002—2023的規(guī)定“低溫閥門為設(shè)計(jì)溫度低于-46℃的閥門”，綜合閥門工廠的生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造實(shí)踐以及ISO 28921-1：2022、BS 6364—1984（R1998）等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)低溫閥門適用溫度范圍的規(guī)定，表明GB/ T 24925—2019的適用溫度-196℃～-29℃的規(guī)定具有其局限性與不合理性，即- 46℃～-29℃溫度區(qū)間已不再列為低溫閥門范疇，這點(diǎn)在2019年之后發(fā)布的閥門國標(biāo)如GB/T 12 2 3 4—2 019 [ 9] 等標(biāo)準(zhǔn)中得到驗(yàn)證。（3）M S SSP-134-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低溫下限為-254℃，這是目前國內(nèi)外少有的能適用于當(dāng)前較前沿研究的液氫、液氦閥門低溫試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)之一；該標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定了低溫閥門的可在65℃下操作的要求，這個(gè)規(guī)定不僅解決了一直以來閥門工廠與用戶對(duì)低溫閥門在常溫貯存過程中是否會(huì)損壞存在的爭議，而且65℃也是國家安全規(guī)范規(guī)定的LNG的臨界溫度點(diǎn)之一。

通過低溫閥門適用范圍的分析，明確了低溫閥門的定義與設(shè)計(jì)溫度范圍、進(jìn)行低溫試驗(yàn)的臨界溫度為-46℃以下等內(nèi)容，為指引低溫閥門的選型與標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)用提供了技術(shù)基礎(chǔ)，為閥門的液氫、液氦等超低溫研制與低溫試驗(yàn)提供了參考。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

低溫閥門的主要技術(shù)指標(biāo)包括閥蓋伸長頸部、隔離滴盤、中腔泄壓結(jié)構(gòu)、防靜電結(jié)構(gòu)、耐火結(jié)構(gòu)、閥體壁厚、無損檢測(cè)的關(guān)鍵性能與結(jié)構(gòu)，如表2、表3所示。

由表2分析可知：（1）結(jié)合表1的適用溫度范圍，GB/T 24925—2019、BS 6364—1984（R1998）、ISO 28921-1：2022等3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)-196℃～-50℃溫度區(qū)間的低溫閥門應(yīng)設(shè)置閥蓋伸長頸部的規(guī)定基本相同，但伸長頸部的長度有區(qū)別；GB/ T 24925—2019還規(guī)定了-50℃～-29℃應(yīng)設(shè)置隔熱層并規(guī)定了隔熱層的長度；（2）除訂貨合同規(guī)定外，MSS SP-134-2012將需設(shè)置閥蓋伸長頸部的設(shè)計(jì)溫度規(guī)定為低于-73℃，也明確提出了止回閥無需設(shè)置閥蓋伸長頸部的要求，有別于表2中其他3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。（3）隔離滴盤可起防止冷凝水進(jìn)入伸長閥蓋的保溫層的作用，GB/T 24925—2019與ISO 28921-1：2022均規(guī)定按合同要求，表2中其余2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均未述及。（4）中腔泄壓機(jī)構(gòu)，表2中4項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定雙閥座密封應(yīng)設(shè)置中腔泄壓結(jié)構(gòu)，其中ISO 28921-1：2022還規(guī)定了“上游密封閥門的內(nèi)腔壓力應(yīng)泄放到關(guān)閉件的下游，下游密封閥門的內(nèi)腔壓力應(yīng)泄放到關(guān)閉件的上游”的詳細(xì)描述。

由表3分析可知：（1）防靜電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：GB/T 24925—2019、ISO 28921-1：2022標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了易燃介質(zhì)的軟密封（或非金屬閥座）閥門需設(shè)置防靜電結(jié)構(gòu)；BS 6364—1984（R1998）規(guī)定為易燃介質(zhì)的閥門，未區(qū)分軟密封或硬密封；MSS SP-134-2012未述及防靜電結(jié)構(gòu)。（2）耐火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：GB/T24925—2019、ISO 28921-1：2022標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了按合同或工況要求，表2中其余2項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均未述及。（3）閥體壁厚：表2中4項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均有規(guī)定，其中BS 6364-1984（R1998）按產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)操作性最強(qiáng)。（4）無損檢測(cè)要求：GB/T 24925—2019規(guī)定最為詳細(xì)，包括“鑄件殼體、焊縫、焊接坡口、鍛造的閥體/閥蓋/閥桿、硬質(zhì)合金密封面堆焊表面、殼體承壓外表面等部位的RT、UT、PT和MT”；BS 6364-1984（R1998）僅規(guī)定了焊縫、鑄件的RT要求，MSSSP-134-2012僅規(guī)定了焊縫的無損檢測(cè)要求，而ISO28921-1：2022未述及。

通過主要技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比與分析，為廣大閥門工廠、用戶對(duì)低溫閥門關(guān)鍵性能與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、選型、工況運(yùn)用等方面提供了重要技術(shù)支撐。

2.3 試驗(yàn)方法

文中重點(diǎn)闡述低溫閥門的常溫性能試驗(yàn)、低溫性能試驗(yàn)、恢復(fù)至常溫后性能試驗(yàn)等低溫閥門關(guān)鍵性能的試驗(yàn)方法，如表4所示。

由表4分析可知：

（1）常溫性能試驗(yàn)：表2中4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均按相應(yīng)的壓力試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，但BS 6364-1984（R1998）提出了球閥可用6.9 bar氣壓替代額定壓力進(jìn)行閥座密封試驗(yàn)要求，為拓展低溫球閥密封試驗(yàn)與標(biāo)準(zhǔn)完善提供了指引。

（2）低溫性能試驗(yàn)：

1）表2中4項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低溫試驗(yàn)溫度范圍各有不同，但都包含較為常用的-196℃，其中GB/T24925—2019規(guī)定的“-46℃～-29℃”低溫范圍已被TSG D7002-2023規(guī)定為無需進(jìn)行低溫試驗(yàn)，這與其余3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)描述相一致。

2）BS 6364-1984（R1998）僅規(guī)定了高壓密封試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為冷態(tài)工作壓力CWP，但對(duì)各壓力增量階段規(guī)定了閥座泄漏率測(cè)量與記錄。其余3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均分別規(guī)定了低溫性能試驗(yàn)時(shí)的閥座低壓密封和高壓密封試驗(yàn)，但MSS SP-134-2012規(guī)定的低壓密封試驗(yàn)壓力5.5 bar和高壓密封試驗(yàn)壓力（≤CL600時(shí)試驗(yàn)壓力約為75%CWP，≥CL900時(shí)試驗(yàn)壓力為124.1 bar，大于NPS24閥門試驗(yàn)壓力限為20 bar，對(duì)焊端閥門試驗(yàn)壓力限為14 bar），明顯區(qū)別于ISO28921-1：2022與GB/T 24925-2019規(guī)定的低壓密封試驗(yàn)壓力0.2 MPa和高壓密封試驗(yàn)壓力CWP。

3）被測(cè)閥低溫浸泡溫度穩(wěn)定后，ISO 28921-1：2022未規(guī)定低溫操作要求，其余3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均有規(guī)定。其中，GB/T 24925—2019規(guī)定為0.2 MPa氣壓下低溫操作5次，MSS SP-134-2012規(guī)定為至少1 bar氣壓下啟閉3次，而BS 6364-1984（R1998）規(guī)定為空載啟閉20次且測(cè)試首次與末次啟閉操作力。

4）低溫性能試驗(yàn)過程中，閥座泄漏率是評(píng)估低溫閥門質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。表4中，GB/T 24925—2019與BS 6364-1984（R1998）規(guī)定的閥座泄漏率指標(biāo)一致。ISO 28921-1：2022與MSS SP-134-2012規(guī)定的閥座泄漏率更為具體，根據(jù)不同介質(zhì)種類、不同公稱壓力、軟密封與硬密封等做了區(qū)分。其中，ISO 28921-1：2022規(guī)定的止回閥泄漏率比GB/T 24925—2019較大，其他閥門泄漏率（測(cè)試介質(zhì)He時(shí)，公稱尺寸≤Class900為50DN（mm3/s），公稱尺寸＞Class900為100DN（mm3/s），當(dāng)測(cè)試介質(zhì)為N2時(shí)泄漏率為He時(shí)的1/2）；MSS SP-134-2012規(guī)定的閥座氦氣泄漏率，如表5所示，對(duì)軟密封與硬密封結(jié)構(gòu)、試驗(yàn)壓力、產(chǎn)品種類等做了細(xì)分。

5）被測(cè)閥低溫浸泡時(shí)間與測(cè)試效率緊密相關(guān)，目前僅有ISO 28921-1：2022與BS 6364—1984（R1998）對(duì)低溫浸泡時(shí)間提出了規(guī)定。其中，ISO28921-1：2022規(guī)定為熱電偶達(dá)到測(cè)試溫度后至少浸泡20 min，BS 6364—1984（R1998）規(guī)定為閥體、閥蓋達(dá)到試驗(yàn)溫度后浸泡至少1 h。結(jié)合閥門低溫試驗(yàn)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)、測(cè)試儀器條件，以及閥體閥蓋溫度最終通過熱電偶反饋的特征。本文認(rèn)為可根據(jù)不同尺寸閥門結(jié)構(gòu)、體積、重量對(duì)低溫浸泡時(shí)間進(jìn)行合理分配，以提高效率、降低測(cè)試成本，實(shí)際操作中建議參考表6執(zhí)行?？紤]制冷介質(zhì)使熱電偶達(dá)到低溫測(cè)試溫度的時(shí)間，若記錄中表述為“浸泡時(shí)間”建議在表6規(guī)定的“熱電偶達(dá)到測(cè)試溫度后低溫浸泡時(shí)間”基礎(chǔ)上增加0.5 h為宜。

（3）恢復(fù)至常溫后性能試驗(yàn)：I S O 2 8 9 21-1：2022未述及除外，GB/T 24925—2019與BS 6364—1984（R1998）表述一致，均為進(jìn)行試驗(yàn)壓力為CWP閥座密封以及開關(guān)扭矩測(cè)量等。MSS SP-134-2012表述為試驗(yàn)壓力為5.5 bar低壓密封試驗(yàn)、試驗(yàn)壓力13.8 bar的殼體試驗(yàn)，殼體試驗(yàn)可采用氣泡檢漏法或逸散性試驗(yàn)。此外，GB/T 24925—2019也規(guī)定了性能試驗(yàn)后的拆卸對(duì)零件進(jìn)行磨損情況檢查。

通過閥門低溫性能試驗(yàn)等關(guān)鍵試驗(yàn)方法的對(duì)比與分析研究，為內(nèi)銷與出口低溫閥門產(chǎn)品的驗(yàn)證測(cè)試提供指引。尤其是指出的閥座泄漏率指標(biāo)因密封類型、介質(zhì)種類、試驗(yàn)壓力、閥門類別等不同而產(chǎn)生的差異，以及低溫試驗(yàn)浸泡時(shí)間方案，將為降低工廠成本、提高測(cè)試效率以及指引閥門工廠制造更為精細(xì)、更高品質(zhì)的低溫閥門產(chǎn)品提供技術(shù)支持。

3 閥座泄漏率測(cè)量與換算

閥門低溫試驗(yàn)過程中閥座泄漏率的測(cè)量受溫度影響較大，為了實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確的對(duì)閥座泄漏率進(jìn)行測(cè)量，參考了ISO 28921-1：2022、MSS SP-134-2012等2項(xiàng)低溫閥門標(biāo)準(zhǔn)中部分描述，假設(shè)壓力恒定或不變條件下根據(jù)質(zhì)量守恒原理提出以下?lián)Q算，見公式（1）。

4 結(jié) 語

本文綜述了低溫閥門常用標(biāo)準(zhǔn)分類，并通過對(duì)低溫閥門常用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24925—2019、BS 6634—1984（R1998）、ISO 28921-1：2022、MSS SP-134-2012等內(nèi)容的對(duì)比，分析了低溫閥門的適用范圍、主要技術(shù)指標(biāo)、試驗(yàn)方法等的差異及產(chǎn)生的影響，指出了低溫閥門的溫度范圍、需進(jìn)行低溫試驗(yàn)的溫度臨界點(diǎn)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征選型、性能試驗(yàn)以及閥座泄漏率設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證、低溫試驗(yàn)浸泡時(shí)間方案等重要內(nèi)容，并歸納了不同介質(zhì)、試驗(yàn)壓力、密封類型、產(chǎn)品類別等引起的閥座泄漏率變化情況。通過質(zhì)量守恒理論分析驗(yàn)證，提出了低溫閥門閥座泄漏率的準(zhǔn)確測(cè)量與換算方法。深入研究了低溫閥門的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征與性能以及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)差異，為低溫閥門選型與質(zhì)量提升、國標(biāo)修訂、縮小與國外同類產(chǎn)品差距提供技術(shù)支撐。

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作者簡介

吳超俊，本科，工程師，研究方向?yàn)殚y門設(shè)計(jì)工藝、檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備。

繆克在，通信作者，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殚y門設(shè)計(jì)工藝、標(biāo)準(zhǔn)化、檢測(cè)技術(shù)與設(shè)備。

（責(zé)任編輯：張佩玉）