铝在低温下不会出现低温脆性,但因铝及铝合金的硬度不高,铝密封面的耐磨、耐擦伤性能差,所以在低温阀门中的使用有一定的限制,仅在低压和小口径阀中选用。 除此以外低温阀门的材料选用还应考虑以下一些因素: 低温阀门的使用温度; 金属材料在低温下应保持工作条件所需要的力学性能,特别是冲击韧性、相对延伸率及组织稳定性;对于碳素钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、钢材的使用温度下限均高于-20℃,当设计温度低于或等于-20℃,应按低温压力容器和管道的设计规定进行夏比(V型缺口)低温冲击试验。但符合下列条件者可免除冲击试验: 低温阀门a.使用温度高于-45℃,且不低于规定的使用温度下限,同时,材料的厚度无法制备5mm厚的试样时; b.除了抗拉强度下限值大于540MPa的钢材及螺栓材料外,使用的材料在低温低应力工况下,若设计温度加50℃后,高于-20℃时; c.对于奥氏体不锈钢、钢材的使用温度下限均高于-196℃。当设计温度低于或等于-196℃时,应按低温压力容器和管道的设计规定进行夏比(V型缺口)低温冲击试验。但如果材料的含碳量大于0.1%,且设计温度低于-20℃,即使设计温度不低于-196℃,也应对焊缝及其热影响区进行低温冲击韧性试验。 根据GB 50316和GB 150标准的规定,钢材在试验温度下冲击功的合格指标,应按钢材标准抗拉强度下限值确定。如表6-2表6-2 钢材在试验下冲击功的合格指标 钢材标准抗拉强度下限值 低温阀门σb/MPa 试样数 三个试样的冲击功平均值 Akv/J≤450 三个试样的平均值 ≥18 其中最小值 12.6>450~515 三个试样的平均值 ≥20 其中最小值 14>515~650 三个试样的平均值 ≥27 其中最小值 18.9奥氏体不锈钢 三个试样的平均值 ≥31 其中最小值 21.7注:① 标准试样尺寸为10mm×10mm×55mm,当采用小试样时,冲击功指标可按试样宽度按比例缩减。 ② 试验温度下三个试样的冲击功平均值不得低于表中的规定,而单个试样的冲击功不得低于表中的最小值。 ③ 标准抗拉强度下限大于650MPa的螺栓等钢材的冲击功值按标准抗拉强度下限值等于650MPa钢材的要求,但40CrNiMo的低温冲击功不应小于31J(三个试样的平均值)
在低温阀门及无润滑的情况下,材料应具有良好的耐磨性;具有良好的耐蚀性;采用焊接连接时还需考虑材料的焊接性能。 3.阀体、阀盖、阀座、阀瓣(闸板)材料的选用 这些主体零部件材料的选用原则大致是:温度高于-100℃时选用铁素体钢;温度低于-100℃时选用奥氏体钢;低压及小口径阀门可选用铜和铝等材料。设计时根据使用温度选择适当的材料,表6-3是中国、美国、日本低温阀门中使用的具有代表性的材料;表6-4列出了这些材料的化学成分及力学性能。 6.低温阀门的特殊结构 阀体:低温阀门主要有闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、止回阀等类型,其主要结构与一般阀门大致相同。 阀体应能充分承受温度变化而引起的膨胀、收缩。而且阀座部位的结构不会因温度变化而产生变形。 低温阀门阀盖:采用长颈阀盖结构,如图6-1所示。其目的在于能起保护填料函的功能。因为填料函的密封性是低温阀的关键之一。该处如有泄漏,将降低保冷效果,导致液化气体气化。这是因为在低温状态下随着温度的降低,填料弹性逐渐消失,防漏性能随之下降,由于介质渗漏造成填料与阀门处结冰,影响阀杆正常操作,同时也会因阀杆上下移动而将填料划伤,引起严重泄漏。所以低温阀门必须采用长颈阀盖结构型式。此外,长颈结构还便于缠绕保冷材料,防止冷能损失。 长颈阀盖的颈长(见图6-2)是按材料的导热系数、导热面积及表面散热系数等因素来决定的。同时也要满足保冷层厚度的需要。颈长可用试验方法求得,表6-7是考虑到标准低温阀门使用温度和保冷材料的厚度而设计的长颈阀盖的颈部长度。
低温阀门表6-1 几类材料的使用温度 材 料 使用温度 /℃ 铸钢(WCB) -29铸钢(LCB) -462.5 Ni 镍钢 -733.5 Ni 镍钢 -101.1青铜(B.61,B.62)镍合金蒙乃尔 -212不锈钢 303、304 -196 316 -254
低温阀门表6-3 阀体低温材料使用温度 种 类 钢 种 标 准 钢 号 使用温度 锻 件 碳钢 JB 4727 16MnD -46.5 GB/T 12228 LF1 -46.5 ASTM A350 LF1 -46.5 3.5%Ni钢 JB 4727 09MnNiD -101.1 GB/T 12228 LF3 -101.1 ASTM A350 LF3 -101.1 奥氏体不锈耐酸钢 JB 4728 F304、0Cr18Ni9 -196 ASTM A182 F304、F304L -196 奥氏体不锈耐酸钢 JB 4728 F316、0Cr17Ni12Mo2 -254 ASTM A182 F316、F316L -254 JIS G4303 SUS304 -254铸 件 碳钢 JB/T 7248 LCB、LCC -46.5 ASTM A352 LCB、LCC -46.5 JIS G5152 SCPL1 -45 0.5%MO钢 JB/T 7248 LC1 -59 ASTM A352 LC1 -59 JIS G5152 SCPL11 -60 2.5%Ni钢 JB/T 7248 LC2 -73 ASTM A352 LC2 -73 JIS G5152 SCPL21 -70 3.5%Ni钢 JB/T 7248 LC3 -101.1 ASTM A352 LC3 -101.1 JIS G5152 SCPL31 -100 奥氏体不锈耐酸钢 GB/T 12230 CF8 -196 ASTM A351 CF8 -196 JIS G5121 SCS13 -196 奥氏体不锈耐酸钢 GB/T 12230 CF8M -254 ASTM A351 CF8M -254 JIS G5121 SCS19 -254
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