论文部分内容阅读
[摘 要]伴随着我国经济的发展与工业的进步，很多低温工程相继壮大起来，而低温阀门的质量对于整个生产工程的影响是非常巨大的，笔者根据实际的经验对低温阀门的阀盖颈部温度场进程分析，并通过一定的物理模型设计阀门的结构，为我国低温工程的发展提供一定的借鉴意义。
[关键词]低温阀门；温度场；结构设计
中图分类号：TS737+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0389-01
低温阀门是指工作温度在四十摄氏度以下的阀门，其在石油化工、天然气以及制冷工艺中有着广泛的应用，随着我国工艺生产技术的进步，对低温阀门的安全性有了更高的要求，通过向低温阀门中添加材料使其封闭性得到提高，同时使用长颈的阀盖来增强其制冷功效，本研究以传热学为理论基础，用物理和数学的方法分析低温阀门阀盖长颈温度场的分布，从而使得阀门的设计更加标准、安全。
1、低温阀门阀盖颈部温度场物理及数学模型简介
低温阀门阀盖颈部温度场分析是建立在传热原理的基础之上，其不仅需要严谨的物理分析过程，还需要先进的设备支持以及传热设计，我国有关低温阀门的设计与使用正在不断的改进与完善，尤其是资金的投入方面更是加大了力度，热量传递的方式有热对流、热传导与热辐射，导热过程要满足单值性的条件，通过在阀门中添加适当的材料使其在零摄氏度以下工作，这样不仅能够提高阀门的封闭效果，还能够防止阀杆发生划伤，那么，长颈阀盖的温度场要通过物理模型来进行分析，简化的物理模型就是在阀盖的轴孔与阀杆之间放置相同的材料，忽略低温的液体径向温度差，将长颈阀盖看成整体，填料函以上部分阀杆长度可认为是相当于阀盖长度部分的扩展换热面，仅起到改变上端面与结合处对流换热系数的作用。因此，整个换热结构由两个圆柱体组成，且为扩展换热面的低温空气双原子体，而不用考虑周围的温度变化与辐射影响等。另外，数学模型的建立是通过阀杆与低温介质之间所进行的热传导以及阀盖与空气间的热对流，阀杆仅相当于阀盖和阀杆组合体的散热翅片，用来加大上表面和空气的对流换热，与此同时，阀盖、阀杆壁面与环境之间的对流换热起到增加底部对流换热的作用，再通过微积分方程进行求导，就能够得到当量对流换热系数的计算结果，最后进行温度场的相关分析，需要注意的是如果阀门颈部顶端的平均温度与环境的对流换热相等时，要使当量对流换热系数满足线性平均温度的要求，以确保计算结果的准确性，为低温阀门阀盖的颈部温度场分析提供更加准确的信息，建立低温阀门的标准化生产。
2、低温阀门的结构设计
2.1 低温阀门的设计要求
低温阀门的设计比较严格，不仅要严防一些易燃易爆的危险材质，还要满足极低的工作环境和极高的压力，与普通的阀门设计不同，低温阀门设计要满足以下几个条件，其一，阀门及其配件要能够在恶劣的条件下长时间的工作，至少要达到四千次以上的循环；其二，在阀门中填充的材料不能够传导热量，这是为了提高低温阀门的工作效率，增加内部液体的流动速度，，如果一旦由于压力过大发生危险要能够即使的采取有效措施解决，同时，低温介质也不要过多的受到周围环境的影响，有的时候一些看似安全的材料混合之后会导致不良的后果。其三，就是低温阀门的配件不要直接的接触介质，只有这样才能够很好的控制爆炸、起火事故的发生。其四，不能像普通阀门一样润滑低温阀门，应该使用恰当的结构保护措施降低部件摩擦受损；最后，就是低温闸阀、截止阀、球阀、蝶阀的阀盖 要求根据不同的使用温度设计成便于保冷的长颈阀盖结构，以保证填料函底部 的温度保持在零摄氏度以上，需要注意的是，长颈阀盖的长颈部分应有足够的厚 度；闸阀、截止阀等低温阀门要求设置上密封；阀体和阀盖接头要求采用螺栓、焊接或管接头，不允许采用螺纹连接。
2.2 低温阀门的特殊结构设计
低温阀门的组成部位有很多，一些特殊结构的设计容易出现误差，导致整个阀门的工作受到影响，其中，阀体能够承受温度变化所导致的热胀冷缩，并且不会发生变形，及时出现了变形也能够采取简易措施恢复；阀盖的设计一定要遵循低温的原则，根据传热原理使用长颈的阀盖，这样既能够保护填充的材料，还能够确保阀门的密封性能良好，如果是天然气工程一旦阀门发生泄露，将导致极为严重的后果，如果是液化气体发生泄露就会使得填充的材料失去原有的操作性能，甚至会在阀杆处结冰，因此，阀门设计成长颈的形式是至关重要的。最后要强调的是填充料的问题，填充料不能够与低温部分直接接触，而应该通过长颈阀盖将其隔离，保障填充的材料处于距低温流体很远的地方，尤其是零摄氏度时更应该提高阀门的密封效果，如果由于某种原因出现了泄露，或者低温的流体与填充的材料发生了直接的接触，要在阀门与填充料之间加入润滑剂，如润滑脂，当阀杆内部形成油层就能够降低填充材料的压力，还可以增加适当的辅助措施，确保阀门的使用安全性，一般的填充材料都是具有金属隔离环的二段填料，当然也有用于普通阀门的填充料，要根据实际的工程情况选择使用，在确保工程质量的基础上，尽量降低成本，增加低温阀门所产生的经济效益。
2.3 低温阀门阀体的设计
低温阀门的阀体是最为关键的一个部分，这是由于阀体承受的压力最大，因此，要确保阀体具有一定的机械强度，在低温环境下工作需要有保温层，最大限度的降低热量的散失，同时防止阀门内部的低温液体发生气化现象，因此，减少阀门与内部液体之间的温度差是解决问题的一种方法，这是因为消除热应力能够减少热量的传递，同时要注意避免阀体出现凹槽或尖角等。笔者通过查阅《锅炉内压力容器规范》得出了阀体壁厚度的计算公式，就是用阀体的最高工作压力乘以阀门的公用通径，再除以材料的许用应力，最后乘以参数1.5，计算的结果要满足规定的最小壁厚，如果计算结果与规定的壁厚相等，就要根据腐蚀余量来增加阀体的厚度。
2.4 低温阀门长颈阀盖的设计
之所以采用长颈的阀盖是为了减少外界传入装置的热量，在填充材料正常工作的前提下，要防止因填充料过冷而造成阀盖或阀杆零件的冻结，低温阀门长颈盖的设计原理是根据材料的热导系数、阀杆直径、散热面积以及对流换热系数等综合而来，将各个参数带入相应的数学公式，能够使其在零摄氏度以下工作，并且提高密封的效果，由计算结果可以得出，当低温初始温度一定时，随着低温阀 门长颈阀盖导热系数和对流换热系数的增大而变小，当阀盖的导热系数与对流交换系数相等时，低温阀门的长颈阀盖会小于初始的液体温度。可见，低温阀门的设计要通过计算得出大致的变化趋势与数据结果，在满足设计要求的基础上，确定长颈阀盖的最短长度，笔者还通过具体的实例来验证数学模型与物理模型的准确性，还可以直观的观察低温阀门在开启和关闭状态下的温度场分布情况，从而确定阀门的长颈阀盖长度是否合理。
3、结语
综上所述，本研究通过建立相应的物理和数学模型对低温阀门阀盖颈部温度场进行了分析，并对低温阀门的结构设计进行探究，在设计的要求与注意事项上都明确了设计要点，从而确定低温阀门阀盖温度场和颈部长度的关系以及阀盖不同颈部长度下阀盖温度场的变化，分析低温介质对填料密封性能的影响，有效的防止低温对填料的破坏，提高了填料的密封性能，希望本研究能够为我国低温工程设计提供相应的理论依据，促进我国工业建设的进步。
参考文献
[1] 梁晓刚，陈宗华.低温阀门设计技术研究及分析[J].化工设备与防腐蚀，2003，5：8-11.
[2] 张朝阳.低温阀选型要求和性能评定准则[J].阀门，2000，1：39-40.
[3] 陆培文.实用阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.
[关键词]低温阀门；温度场；结构设计
中图分类号：TS737+.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）30-0389-01
低温阀门是指工作温度在四十摄氏度以下的阀门，其在石油化工、天然气以及制冷工艺中有着广泛的应用，随着我国工艺生产技术的进步，对低温阀门的安全性有了更高的要求，通过向低温阀门中添加材料使其封闭性得到提高，同时使用长颈的阀盖来增强其制冷功效，本研究以传热学为理论基础，用物理和数学的方法分析低温阀门阀盖长颈温度场的分布，从而使得阀门的设计更加标准、安全。
1、低温阀门阀盖颈部温度场物理及数学模型简介
低温阀门阀盖颈部温度场分析是建立在传热原理的基础之上，其不仅需要严谨的物理分析过程，还需要先进的设备支持以及传热设计，我国有关低温阀门的设计与使用正在不断的改进与完善，尤其是资金的投入方面更是加大了力度，热量传递的方式有热对流、热传导与热辐射，导热过程要满足单值性的条件，通过在阀门中添加适当的材料使其在零摄氏度以下工作，这样不仅能够提高阀门的封闭效果，还能够防止阀杆发生划伤，那么，长颈阀盖的温度场要通过物理模型来进行分析，简化的物理模型就是在阀盖的轴孔与阀杆之间放置相同的材料，忽略低温的液体径向温度差，将长颈阀盖看成整体，填料函以上部分阀杆长度可认为是相当于阀盖长度部分的扩展换热面，仅起到改变上端面与结合处对流换热系数的作用。因此，整个换热结构由两个圆柱体组成，且为扩展换热面的低温空气双原子体，而不用考虑周围的温度变化与辐射影响等。另外，数学模型的建立是通过阀杆与低温介质之间所进行的热传导以及阀盖与空气间的热对流，阀杆仅相当于阀盖和阀杆组合体的散热翅片，用来加大上表面和空气的对流换热，与此同时，阀盖、阀杆壁面与环境之间的对流换热起到增加底部对流换热的作用，再通过微积分方程进行求导，就能够得到当量对流换热系数的计算结果，最后进行温度场的相关分析，需要注意的是如果阀门颈部顶端的平均温度与环境的对流换热相等时，要使当量对流换热系数满足线性平均温度的要求，以确保计算结果的准确性，为低温阀门阀盖的颈部温度场分析提供更加准确的信息，建立低温阀门的标准化生产。
2、低温阀门的结构设计
2.1 低温阀门的设计要求
低温阀门的设计比较严格，不仅要严防一些易燃易爆的危险材质，还要满足极低的工作环境和极高的压力，与普通的阀门设计不同，低温阀门设计要满足以下几个条件，其一，阀门及其配件要能够在恶劣的条件下长时间的工作，至少要达到四千次以上的循环；其二，在阀门中填充的材料不能够传导热量，这是为了提高低温阀门的工作效率，增加内部液体的流动速度，，如果一旦由于压力过大发生危险要能够即使的采取有效措施解决，同时，低温介质也不要过多的受到周围环境的影响，有的时候一些看似安全的材料混合之后会导致不良的后果。其三，就是低温阀门的配件不要直接的接触介质，只有这样才能够很好的控制爆炸、起火事故的发生。其四，不能像普通阀门一样润滑低温阀门，应该使用恰当的结构保护措施降低部件摩擦受损；最后，就是低温闸阀、截止阀、球阀、蝶阀的阀盖 要求根据不同的使用温度设计成便于保冷的长颈阀盖结构，以保证填料函底部 的温度保持在零摄氏度以上，需要注意的是，长颈阀盖的长颈部分应有足够的厚 度；闸阀、截止阀等低温阀门要求设置上密封；阀体和阀盖接头要求采用螺栓、焊接或管接头，不允许采用螺纹连接。
2.2 低温阀门的特殊结构设计
低温阀门的组成部位有很多，一些特殊结构的设计容易出现误差，导致整个阀门的工作受到影响，其中，阀体能够承受温度变化所导致的热胀冷缩，并且不会发生变形，及时出现了变形也能够采取简易措施恢复；阀盖的设计一定要遵循低温的原则，根据传热原理使用长颈的阀盖，这样既能够保护填充的材料，还能够确保阀门的密封性能良好，如果是天然气工程一旦阀门发生泄露，将导致极为严重的后果，如果是液化气体发生泄露就会使得填充的材料失去原有的操作性能，甚至会在阀杆处结冰，因此，阀门设计成长颈的形式是至关重要的。最后要强调的是填充料的问题，填充料不能够与低温部分直接接触，而应该通过长颈阀盖将其隔离，保障填充的材料处于距低温流体很远的地方，尤其是零摄氏度时更应该提高阀门的密封效果，如果由于某种原因出现了泄露，或者低温的流体与填充的材料发生了直接的接触，要在阀门与填充料之间加入润滑剂，如润滑脂，当阀杆内部形成油层就能够降低填充材料的压力，还可以增加适当的辅助措施，确保阀门的使用安全性，一般的填充材料都是具有金属隔离环的二段填料，当然也有用于普通阀门的填充料，要根据实际的工程情况选择使用，在确保工程质量的基础上，尽量降低成本，增加低温阀门所产生的经济效益。
2.3 低温阀门阀体的设计
低温阀门的阀体是最为关键的一个部分，这是由于阀体承受的压力最大，因此，要确保阀体具有一定的机械强度，在低温环境下工作需要有保温层，最大限度的降低热量的散失，同时防止阀门内部的低温液体发生气化现象，因此，减少阀门与内部液体之间的温度差是解决问题的一种方法，这是因为消除热应力能够减少热量的传递，同时要注意避免阀体出现凹槽或尖角等。笔者通过查阅《锅炉内压力容器规范》得出了阀体壁厚度的计算公式，就是用阀体的最高工作压力乘以阀门的公用通径，再除以材料的许用应力，最后乘以参数1.5，计算的结果要满足规定的最小壁厚，如果计算结果与规定的壁厚相等，就要根据腐蚀余量来增加阀体的厚度。
2.4 低温阀门长颈阀盖的设计
之所以采用长颈的阀盖是为了减少外界传入装置的热量，在填充材料正常工作的前提下，要防止因填充料过冷而造成阀盖或阀杆零件的冻结，低温阀门长颈盖的设计原理是根据材料的热导系数、阀杆直径、散热面积以及对流换热系数等综合而来，将各个参数带入相应的数学公式，能够使其在零摄氏度以下工作，并且提高密封的效果，由计算结果可以得出，当低温初始温度一定时，随着低温阀 门长颈阀盖导热系数和对流换热系数的增大而变小，当阀盖的导热系数与对流交换系数相等时，低温阀门的长颈阀盖会小于初始的液体温度。可见，低温阀门的设计要通过计算得出大致的变化趋势与数据结果，在满足设计要求的基础上，确定长颈阀盖的最短长度，笔者还通过具体的实例来验证数学模型与物理模型的准确性，还可以直观的观察低温阀门在开启和关闭状态下的温度场分布情况，从而确定阀门的长颈阀盖长度是否合理。
3、结语
综上所述，本研究通过建立相应的物理和数学模型对低温阀门阀盖颈部温度场进行了分析，并对低温阀门的结构设计进行探究，在设计的要求与注意事项上都明确了设计要点，从而确定低温阀门阀盖温度场和颈部长度的关系以及阀盖不同颈部长度下阀盖温度场的变化，分析低温介质对填料密封性能的影响，有效的防止低温对填料的破坏，提高了填料的密封性能，希望本研究能够为我国低温工程设计提供相应的理论依据，促进我国工业建设的进步。
参考文献
[1] 梁晓刚，陈宗华.低温阀门设计技术研究及分析[J].化工设备与防腐蚀，2003，5：8-11.
[2] 张朝阳.低温阀选型要求和性能评定准则[J].阀门，2000，1：39-40.
[3] 陆培文.实用阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.