低溫閥門是一種（zhǒng）在溫度等於或低於120 K的（de）介質中工作的閥門。低溫閥除了應滿足一般（bān）閥門（mén）所具備性能之外,更主要的是在低溫狀態下保證密封麵的封性能,動作靈活,漏熱低等特（tè）點,而其關（guān）鍵技術對漏熱的要（yào）求。因此根據絕熱方式的不同,其結構要有堆積絕熱式（shì）、高真空（kōng）絕熱、真空粉末（mò）絕熱和高空多層絕熱等多種形式。
隨著新型氫氧研製的深入,對於火箭發動（dòng）機氫（qīng）氧溫區用的低溫閥門也提出了更多要求,尤其是對閥門口徑的要求越來越大,其中液（yè）氫溫區用的低溫（wēn）截止閥已達（dá）到DN250,液氧溫區已達DN200 (以上口徑是針對截止閥,球閥口徑已達到DN300)。在航天領域作為流體輸送及切斷（duàn）用途而廣泛使用的閥門主要有截止閥（fá）和球閥。以下針對高真空多層（céng）低（dī）溫截止閥設計時應考慮的問題進行（háng）討論與分析。
低溫（wēn）截止閥的（de）材料
由於（yú）低溫閥工作介質的低溫性質,使低溫閥門對材（cái）料有許多特殊要求。
- 材料耐低溫性能
低溫閥不僅要求在低溫下保證正常（cháng）工作,同時（shí）要保證其常溫的工作機械性能,也要滿足（zú）低溫下所需的機械性能（néng）,尤其是衝擊功和相對延伸率的要求。針對以（yǐ）上要求,為了防止材料在低（dī）溫下的低應力脆斷（duàn）,一般（bān）多采用奧氏（shì）體組織的材料,如:奧（ào）氏體不鏽鋼鑄件、銅、銅合金、鋁（lǚ）及鋁合金等。這是因為經過對低應力脆性斷（duàn）裂特點研究,對金屬斷裂機理進行分析發現,金屬的低溫韌性即缺口尖端處的（de）金屬（shǔ）微觀塑性變形能力是決定設備抵（dǐ）抗應力脆斷破壞的關鍵。實驗表明,具有麵心立方結構的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼基本上沒有這種溫度效應,即沒有低應力脆斷。這是因為（wéi）當溫度降低時,麵心立方金（jīn）屬的屈服強度沒有（yǒu）顯著變化,而（ér）且不易產生形變孿晶,位錯容易運動,局部應力易於鬆弛,裂紋不易傳播,一般沒有脆性轉（zhuǎn）變溫度。 - 與低溫介質的相容性
材料與低溫介（jiè）質的相（xiàng）容性就是要求材料本身不能與低溫介質發生任何物理化學變化,不能引起腐蝕及爆炸。如在氧介質中工作的材（cái）料,不允許使用玻璃鋼（gāng）作為絕熱（rè）材（cái）料,也不允許使用活性碳作為吸氣劑,因為它（tā）們均能（néng）與氧發生燃燒爆（bào）炸。 - 具有相對（duì）低的導熱性,即熱導率相（xiàng）對低（dī）
低溫截止閥輸送（sòng）的介質溫度低,介質（zhì）成本高,而且介質的突然汽化（huà）也會給設備的安全（quán）運行（háng）帶來（lái）極大危害。所以低溫截止閥對漏熱的要求較高。為了降低傳熱,在合理選（xuǎn）擇絕熱的前提下,應盡（jìn）量采用熱導率相對低的材料,以降（jiàng）低低溫介質的（de）蒸發量。 - 在低溫無油潤滑的情況下,具有必需的硬度和耐磨性
閥門依靠閥杆的（de）運動開（kāi）啟和關閉,閥（fá）杆（gǎn）傳遞的作用力又使密（mì）封麵達到一定（dìng）的密封力。這就要求製作截止閥（fá）零部件的材料必須有一定的（de）硬（yìng）度和耐摩性。鋁和鋁合金在低溫截止閥中的使用有一定的限製,主要是因為硬度不夠,會導致密封表麵比鋼和黃銅失效得更（gèng）快[1]。目前（qián）使用較多的金屬材料有:不鏽鋼、銅合金、鋁（lǚ）合金、鎳合金等;非金屬材料有:玻璃鋼、聚四氟（fú）乙烯、增強聚四（sì）氟乙（yǐ）烯、聚酰亞胺、石棉繩、橡膠等,其中玻璃（lí）鋼大多作為熱橋零件,而聚（jù）四氟乙烯、增強聚（jù）四氟乙烯（xī）、聚酰亞胺多作為密封麵材料,石棉繩、橡膠、填料等多作（zuò）為閥杆密（mì）封材料。
低溫（wēn）截止閥（fá）的密（mì）封
低溫介質的成本（běn）以及危害性（xìng）等特點,使低溫閥門的密（mì）封設計在整個設計過程中（zhōng）占有相當重要的位置要求（qiú）在一定工作條件下不能泄露,低溫截止閥（fá）的密（mì）封（fēng）要包括閥杆密封和密封麵密（mì）封。
- 閥杆（gǎn）密封
目前低溫（wēn）截止閥的閥杆密封有填料（liào）函和波紋管兩種其中在成批生產的空氣分離裝置上的閥門,其（qí）閥杆多采用（yòng）填料（liào）函密封結構。在有毒易燃易爆氣體介質中工作的閥門,閥杆可（kě）以采用波管密封,但在大於（yú）等於80MPa的（de）高壓（yā）氣（qì）體中,由波紋管不能承受如此高的外壓,隻能采用填料（liào）函密封填料函密封由於製造加工簡單、維修更換方便在實際生產中應用相當普遍。但是為保證填料的密性（xìng）能（néng）,其工作溫度（dù）一般不（bú）能低於-40℃,這就要求低溫閥門上工（gōng）作的填料函裝置應（yīng）盡量在接近環境溫（wēn）下工作。通常情況下,填料不結（jié）霜（shuāng）即認為其處於（yú）正的工作狀態,但如果由於（yú）填料本身或工作壽命的原使填料不密封（fēng）,則低溫氣體通過填（tián）料就會（huì）造成泄漏（lòu）並使填料函冷凍結霜,又會造成填料的進一步泄漏失效。在航天領（lǐng）域應用的很多低溫閥門係列中,由於成原（yuán）因大多采用了填（tián）料函密封結構,而為了確保閥杆填料函的溫度,均（jun1）采用了加長（zhǎng）閥杆長度的方法（fǎ）,所造成（chéng）這些低溫閥的尺寸均比較大。
波紋管密封截止閥多用（yòng）於（yú）介質不允許微量泄漏和不適填料的場合。在波紋管的（de）設計中,其壽命是關鍵（jiàn）,波紋管的壽命與其行程大小和初始安裝狀態有關。保證波紋（wén）管截止閥的使用壽命,在行程一定的（de）情（qíng）況下,安裝波紋時要保（bǎo）證（zhèng）其不承受附加外力的（de）作用;在（zài）工作狀態下由於波紋管承受的是外壓,其工作狀態較（jiào）好,但由低溫閥門的（de）快（kuài）速關閉或管道中可能存在的氣穴都（dōu）可能引（yǐn）水擊。因此在波紋管承受的計算壓力時,要加上定（dìng）的安全係數,並盡可能使波紋管避（bì）免直接承受水擊。 - 密封麵（miàn）密封
低溫閥門密封麵的結構大體上分為平麵、錐麵球麵（miàn）、刀形等（děng）密封形式。其中平麵密封由於加工造簡單應用較為廣泛,尤其適（shì）合應用在大口徑閥門中但由於其平麵結構的特點使其密封力比較大,需要操作（zuò）力也較大。錐（zhuī）麵和球麵密封副（fù）在小（xiǎo）口徑閥門中用（yòng）較為廣泛,有好的（de）應用實例（lì）。由於是錐麵形（xíng）式,所需密封力和操作力比較小,但（dàn）在大口徑閥門中很少用,不僅因為其（qí）加工製造困難,而且在低溫狀態下由材料收縮（suō）、材料金相（xiàng）組織變化和加工誤差等多種因素作用,使密封（fēng）麵在低溫下容易失去密封性能而造成閥（fá）泄漏。
對（duì）於製作密封（fēng）麵(閥（fá）頭-閥座)的材料,不僅要求其有一定的機（jī）械強度,更重要（yào）的（de）是要保證較高的（de）表麵硬度。密封麵的材料一般（bān）不采用（yòng）鋁和鋁合金,因為其硬度太差,通常均采用不鏽鋼、銅合金、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰（xiān）亞胺等材料(聚碳酸脂也（yě）可用做密封麵材料,但（dàn）沒有（yǒu）成熟的使用數據)。隨著發展,開（kāi）始嚐試使用增強聚四氟乙（yǐ）烯代替聚四氟乙烯應用於低溫（wēn）截止閥的密封麵,且（qiě）效果也不錯。對以上閥頭-閥座（zuò）的配對材（cái）料中,為了保證密封性能,一定要注意表麵（miàn）粗糙度的選擇（zé）。
摩擦副的設計
低溫閥門經（jīng）常使用的殼體和閥杆材（cái）料（liào）主要是0Cr18Ni9不鏽鋼材料。不鏽鋼材料（liào）在低溫下的總體機械性能得到了提高,隻是δ5、AKV值有所降低,且在常溫狀態下摩擦部分極易出現咬死現象。低溫閥中摩擦副將嚴重影響整個閥門工作的可靠性,且為了防止汙染低溫介（jiè）質,不允許使（shǐ）用防止（zhǐ）零件磨（mó）損和咬死的潤滑劑。低溫（wēn）閥（fá）門在（zài）常溫狀態工作時,為確保不出現（xiàn）咬死現象,應選用不同材料或把摩擦副材料的硬度錯（cuò）開。
在實際（jì）設計中,通常采用0Cr18Ni9-黃銅,但（dàn）0Cr18Ni9-2Cr13摩擦副（fù）較好不要相配合。
閥（fá）門的漏熱,
在低溫閥門中,由於介質成本較高,閥門漏熱是（shì）關鍵問題。通過閥門（mén）的漏熱主要有2部分:通過閥門殼體的漏熱和（hé）機械構件的（de）漏熱。
- 通過閥門（mén）殼體的漏熱
為了（le）降低通過（guò）閥門殼體的漏熱,一般采用外堆（duī）積絕熱和真空（kōng）(多層)絕熱方式。外堆積絕熱一般應用在小口徑或很少維修的場合(因（yīn）為外堆積絕熱的維修成本高（gāo）),真空多層一般應用在大口徑和液氫、液氦的低溫（wēn）截止閥門中。在真空型的絕熱體中,熱量通過絕熱體是以輻射、固體傳導和氣體傳導等幾種方式進行（háng）傳遞的。要（yào）準確地（dì）計算這部（bù）分熱量很困難,工程上用總的表觀導熱係數來處理。 - 機械（xiè）構件漏熱
機械構件漏熱分（fèn）為兩種情況:沒有冷氣冷卻的構件和有冷氣冷卻的（de）構（gòu）件。在設計中為了降低這類構件的漏熱在滿足構件強度和剛度要求的同（tóng）時可以采取（qǔ）加長構件長（zhǎng）度、減小（xiǎo）構件截麵積的方法來降低漏熱量;或者允許的前提下將構件分段,一（yī）端以球頭接觸（chù）來增大觸熱阻(同時段與段之間也可以加放隔熱墊),該法（fǎ）通常用（yòng）於降低閥杆漏熱;另外還可以通過采用導係數較（jiào）小的材（cái）料來降低漏熱量,該方法通常用於降閥門支撐件的漏熱（rè）,支撐件材料（liào）一般采用導熱係數為0•25W / (m•K) ~0. 45 W / (m•K)的玻（bō）鋼。支撐形式在工程上常有三角形（xíng）、正方形（xíng）、球環等結構形式。有冷氣冷卻的構件,其頸管的（de）傳熱（rè）情況比較複雜包括冷、熱兩端之間的熱傳導,冷（lěng）蒸氣與頸內壁的（de）流傳熱,頸管外壁與絕熱層之間的傳熱（rè）以及通過頸管對液體的輻射傳熱等,準確計算其傳熱（rè）是很複雜（zá）的。為了減少頸管部分的（de）傳熱量,除采用低導熱係數材料（liào）,減（jiǎn）薄（báo）管壁,增加管長等措施外,增加頸管內壁（bì）粗糙度和（hé）進行塗（tú）黑處理,以及（jí）對頸管外壁進行拋光（guāng）,均可（kě）以減少其傳熱量。
真空腔及多層絕熱材料
圖片 在低溫閥設計中（zhōng）,為了降低閥（fá）門（mén）夾層中氣體（tǐ）的對流傳熱,閥門（mén）的夾層要抽（chōu）成真空,真空（kōng）度一般達到10-3Pa以上。而為了獲得和保持這樣的真空度,在真空度達到要求後常用吸氣（qì）劑來保持。通常用於低溫（wēn）裝（zhuāng）置的吸氣劑有活性炭(液氧閥門中除外)和分子篩。 為了降低輻（fú）射傳熱,要在真空中安裝防輻（fú）射屏。高真（zhēn）空多層絕熱材料由高反射性、低輻射率的屏材料和導熱係數低的間隔材料組（zǔ）成（chéng）,常用的有:鋁箔、噴鋁滌綸薄膜、鋁箔紙（zhǐ）、玻璃纖維布(紙)、尼龍網及絲綢等。影響多層絕熱的因素有:材料及其組合方式、真空度、層密度、總厚度、溫（wēn）度、機械（xiè）負荷及雜質等。
閥門零部件的深冷處理
低溫閥門（mén）中一般采用不鏽鋼材料作殼體,而奧氏（shì）體不鏽鋼在低溫狀態下存在奧氏體組織（zhī）向馬氏體組（zǔ）織轉（zhuǎn）化的傾向。當奧氏體向馬（mǎ）氏體轉化時就會造成體積（jī）的變化,從而（ér）使得（dé）閥門密封麵可（kě）能失去（qù）密封性能而失（shī）效。為了降低這種轉化量,零（líng）部件在（zài）精加工前（qián）要進行深冷（lěng）處理,通常采用的方法是（shì）在液氮中浸泡（pào）1 h~2h,並重複2~3次就能滿（mǎn）足使用要（yào）求。
閥門（mén）的試驗
為了保證低溫閥安全可靠地（dì）運行,低溫截止（zhǐ）閥在組裝畢後應進行壓力和（hé）密封試驗,以檢驗包括閥體與閥（fá）聯結處在內的整個閥門的耐壓及（jí）密封性能。
殼體進行強度試驗時,其試驗（yàn）過程和程序應（yīng）符國家相關標準。由於低溫閥多采（cǎi）用不鏽鋼,水壓試（shì）用水的氯化物含量不應超過25 mg/L。閥門組裝前水壓試驗結束後,應（yīng）對每個零部件徹底洗淨並清除漬,其中（zhōng）油汙含量應符合JB/T 6896-93《空氣（qì）分離備表麵清潔度》的要求。試驗壓力為設計壓力的1.5倍（bèi）,合格（gé）標準為:在增壓過（guò）程中（zhōng）無異常響（xiǎng）聲,無泄漏宏觀（guān）上不允許有可見的異常變形。
壓力試驗（yàn）合格後進（jìn）行密封試驗,試驗壓力為設壓力（lì）。試驗前對閥體,閥蓋的連接以及填料函、閥密封麵等處進行檢查。為了檢（jiǎn）查低溫閥門在使用溫度下密（mì）封及（jí）操作性能,常溫密封試驗合格後要（yào）進行低溫檢驗,為保證安全性,降低試驗成本,低溫閥門試驗一般用液氮試驗。當閥（fá）門生產企業不具（jù）備低溫（wēn）試（shì）驗能力時也可在常溫密封試（shì）驗合格後在使用單位做。試驗（yàn）一采取（qǔ）浸（jìn）泡（pào）方（fāng）式,即把整個低溫閥門浸入液氮進行冷卻,液體的水平麵至少掩（yǎn）蓋住閥體與閥蓋的連接（jiē）部位,在（zài）閥門溫度穩定後向閥門（mén）通入氦氣檢查其密封（fēng）性能。
安裝調試
低溫截止閥門的各種試驗合（hé）格（gé）後運輸到現場,由使用（yòng）單負責安裝並進行整個低溫係統的檢驗以及試運行。
