低（dī）溫閥門是一種在溫度等於或低於120 K的介質中工作的閥門。低溫閥除了（le）應滿足一般閥門所具備性能之外,更主要的是在低溫狀態下保證密封麵的封性能,動作靈活,漏熱低等特點,而其關鍵技（jì）術對漏熱的要求。因此根據絕熱方式的不同,其結構要有堆積絕熱式、高真空絕熱、真空粉（fěn）末（mò）絕熱（rè）和高空多層絕熱等多種形式。
隨著新（xīn）型氫氧研製的深入,對於火箭發動（dòng）機氫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,其中液氫溫區用的低溫截止閥已達到DN250,液氧溫區已達DN200 (以上口徑是針對截止閥,球（qiú）閥口徑已達到DN300)。在航天領域作為流體輸送及切斷用途而廣泛使用的閥門主要有截止閥和球閥。以下針對高真空（kōng）多層低溫截止閥設計時應考慮的問題進（jìn）行討（tǎo）論與（yǔ）分析。
低溫截（jié）止閥的材料
由於低溫（wēn）閥工作介質的低（dī）溫（wēn）性質,使低（dī）溫閥門對材料有許多特殊要求。
- 材料耐低溫性能
低溫閥不僅要求在低（dī）溫下保證正常工作,同時要保證其常溫（wēn）的工作機械性能,也要滿足低溫下所需的機械性能,尤其是（shì）衝擊功和相對延伸率的要（yào）求。針對以上要求,為（wéi）了（le）防止材料在低溫下的低應力脆斷,一般多采用奧（ào）氏體組織的材料（liào）,如:奧氏（shì）體不鏽鋼鑄件、銅、銅合金、鋁及鋁合金等。這是因為經過對低（dī）應力脆（cuì）性斷裂特點研究（jiū）,對金屬斷裂機理進行分（fèn）析發現,金屬的低溫韌性即缺口尖端處的金屬微觀塑性（xìng）變形能力是決定設備抵抗應力脆斷破壞的關鍵。實驗表明,具有麵心立方結構的金（jīn）屬,如銅、鋁、鎳和奧（ào）氏體類鋼基本上沒有（yǒu）這種溫度效應,即沒有低應力脆斷。這是因為當溫度降（jiàng）低時,麵心立方金屬的屈服（fú）強度沒有顯著變化,而且不易產生形變孿晶,位錯（cuò）容易運動,局部應力易於鬆弛,裂紋不易傳播,一般沒有脆性轉變溫度。 - 與低（dī）溫介（jiè）質的相容性
材料與低溫介質的相容性就（jiù）是要求材料本身不能與低溫介（jiè）質發生任何物理化學變化,不能引（yǐn）起腐蝕及爆炸。如在氧介質中（zhōng）工作的材料,不允許使（shǐ）用玻璃（lí）鋼作為絕熱（rè）材料,也不允許使用活性碳作為吸氣（qì）劑,因（yīn）為它們均能與氧發生燃燒爆炸。 - 具有相對低的導熱性,即熱導率相對低
低溫截止閥輸送的介質溫度低（dī）,介質成本高,而且介質（zhì）的突然汽化也會給設備的安全運行帶來極大危害。所以低溫截止閥對漏熱的（de）要（yào）求較高。為了降低傳熱,在合理（lǐ）選擇絕熱的前提下,應盡量采用熱導率相對低的材料,以降低低溫（wēn）介質的蒸發量。 - 在低溫無油潤滑的情況下（xià）,具有必需的硬度和耐磨（mó）性
閥門依靠閥杆的運動開啟（qǐ）和關閉,閥杆傳遞的作用力又使密封麵達到一（yī）定的密封力。這就要（yào）求製作截（jié）止閥零部件的材料（liào）必（bì）須有一定的硬度和耐摩（mó）性。鋁（lǚ）和（hé）鋁合金在低（dī）溫截止閥中的（de）使用有一定的限製,主要是因為硬度（dù）不夠,會導致密封表麵比鋼和黃銅失效得更快[1]。目前使用較多的金屬材料有:不鏽鋼、銅合金、鋁合金、鎳合金等;非（fēi）金（jīn）屬材料有:玻璃鋼、聚四氟乙烯（xī）、增強聚四氟乙（yǐ）烯、聚酰亞胺、石棉繩、橡膠等,其中玻璃鋼大多作為（wéi）熱橋零件,而聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰（xiān）亞（yà）胺多作為密封麵材（cái）料,石棉繩、橡膠（jiāo）、填料等多作為閥杆密封材（cái）料。
低溫截止閥的（de）密封
低溫介質的（de）成（chéng）本以及危害性等特點,使低溫閥門的密封設計在整個設計過程中占有相當重要的位置要（yào）求在（zài）一定工作條件下（xià）不能泄露,低溫截止閥的密封要包括閥杆密封和（hé）密封麵密封。
- 閥杆密封
目前（qián）低溫截止閥的（de）閥杆密封有填料函和波紋（wén）管兩種其中在成批生產的空氣分離裝置上的閥門（mén）,其閥杆多采（cǎi）用填料函密封結構。在有毒易燃易爆氣體介質中工作的閥門,閥杆可以采用波管密封,但在大於等於80MPa的高（gāo）壓氣體中,由波紋管不能承受如此高的外壓,隻（zhī）能采用（yòng）填料函密封填料函密封由於製造加工簡單、維修更換（huàn）方便在實際生產中應用相當普遍。但是為保證填料的密性能,其工作溫（wēn）度一般不能低於-40℃,這就要求低溫閥門上工作的填料函裝置應盡量在接近環境溫下（xià）工作。通（tōng）常情況下,填料（liào）不結霜即認為其處於正的工作狀態,但如果由於填料本身或（huò）工作壽（shòu）命的原使填料不密封,則低溫氣體通過填料（liào）就會造成泄漏並使填料函冷凍結霜,又會造（zào）成填料的進一步泄漏失效。在（zài）航天領域應用（yòng）的很多低溫閥門係列中,由於成原因大多（duō）采用（yòng）了填料函密封（fēng）結構,而為了（le）確保閥杆填料函（hán）的溫度,均采用了加長閥杆長度的方法,所造成這些低溫閥的尺寸均比較大。
波紋管密封截止閥（fá）多（duō）用於介質不允許微量泄漏和不適填料的場合。在波紋管的設計中,其壽命是關鍵,波紋管的壽命（mìng）與其行程大小和初始（shǐ）安裝狀（zhuàng）態有關。保證波（bō）紋管截止閥的使用（yòng）壽命,在行程一（yī）定的情況下,安裝波紋時要保證其不承受附加外力的作用（yòng）;在工作（zuò）狀態下由於波紋管承受的是外壓,其工作狀態較好（hǎo）,但由低溫閥門的快速關閉或管道中可能存（cún）在（zài）的氣穴都可能引水擊。因此在波紋管承受的計算壓力時,要加上定的安全係數,並（bìng）盡可能使（shǐ）波紋管避免直接（jiē）承（chéng）受水擊（jī）。 - 密封麵密封（fēng）
低（dī）溫閥門密封麵的結構大體上分為平麵、錐麵球（qiú）麵、刀形等密封形式。其中平麵密（mì）封（fēng）由於加工造簡單應用較為廣（guǎng）泛,尤其適合應用在（zài）大（dà）口徑閥門中但由於其平麵結構的特點使其密封力比較大,需要操作力（lì）也較大。錐麵和球麵密封副在小口徑閥門中用較為廣泛,有好的應用實例。由於（yú）是錐麵形式,所（suǒ）需密封力（lì）和操作力比較小,但在大口徑閥門中很少用,不僅（jǐn）因為其加工製造困難,而且在低溫狀態下由材料（liào）收縮、材料金相組織變化和加工誤（wù）差等多種因素作用,使密封麵在低溫下容易失去密封性（xìng）能而造成閥泄漏。
對於製作密封麵(閥頭-閥座)的材料,不僅要求其有一定（dìng）的機械強度,更重要的是要保（bǎo）證較高的表麵硬度。密封麵的材料一般不采用鋁和鋁（lǚ）合金,因為其（qí）硬（yìng）度（dù）太差,通常均采用不鏽鋼、銅合金（jīn）、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺等材料(聚（jù）碳酸脂也可用做密封麵材料,但沒有成熟的使（shǐ）用數據（jù）)。隨著發展,開始嚐試使用增強聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯應用於低溫截止閥的密封（fēng）麵,且效果也不錯（cuò）。對以上（shàng）閥頭-閥座的配對材料中,為了保證密封（fēng）性（xìng）能（néng）,一定要注（zhù）意表麵粗糙度的選擇。
摩擦副的設計（jì）
低溫閥門經常（cháng）使用的殼體和閥杆材料主要是0Cr18Ni9不（bú）鏽鋼（gāng）材料。不（bú）鏽鋼材料在低溫下的總體（tǐ）機械性能得到了（le）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（jiāng）嚴重影響整個閥門工作的可靠性,且為了（le）防止汙染低溫介質,不（bú）允許使用防止零件磨損和咬死的潤滑劑。低溫閥門（mén）在常溫狀態工作時,為確保不出現咬死現象（xiàng）,應選用不（bú）同材（cái）料或把摩擦副材料的（de）硬度錯開。
在（zài）實際設計中,通（tōng）常采用0Cr18Ni9-黃銅,但（dàn）0Cr18Ni9-2Cr13摩擦副較好不要相配合。
閥門的漏熱,
在低溫閥門中,由於（yú）介質成本較高,閥門漏熱是關鍵問（wèn）題（tí）。通過閥門的漏熱（rè）主要有2部分:通過閥門殼體的漏熱和機械構（gòu）件的漏熱。
- 通過閥（fá）門殼體的漏熱
為（wéi）了降低通過閥門殼體的漏（lòu）熱,一般采用外堆積絕熱和真空(多層)絕熱（rè）方（fāng）式。外堆積絕熱一般應用在小口（kǒu）徑或很少維修的場合(因為外堆積（jī）絕熱的維修成本高),真空多層一般應用在大口徑（jìng）和液氫、液氦的低（dī）溫截止閥門中。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（fāng）式進行傳遞（dì）的。要準確地計算這（zhè）部分熱量很困難,工程上用總的表觀導熱（rè）係數來處理。 - 機械構件漏熱
機械構（gòu）件（jiàn）漏熱（rè）分（fèn）為兩種情況:沒（méi）有冷氣冷（lěng）卻的構（gòu）件和有冷氣冷卻的構件。在設計中為了降低這類（lèi）構件的漏熱在滿足構件強度和剛度要求的同時（shí）可以采取加長構（gòu）件長度、減小（xiǎo）構件截麵（miàn）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）端以球頭接觸來增大觸熱阻(同時段與段之間也可以加放隔熱墊),該法通常用於降低閥杆漏（lòu）熱;另外還（hái）可以（yǐ）通（tōng）過采用導係數較小的（de）材料來降低漏熱量,該方法通常用於降閥門支撐件的（de）漏熱（rè）,支撐件（jiàn）材料一般采用導熱係數為0•25W / (m•K) ~0. 45 W / (m•K)的玻鋼。支撐形式在（zài）工程上常有三角形、正方形、球環等結構形（xíng）式（shì）。有冷氣冷（lěng）卻的構（gòu）件,其頸管的傳熱情況比較（jiào）複雜包括冷、熱兩端之間的熱傳導,冷蒸氣與（yǔ）頸內壁的流傳熱,頸管外壁與絕熱層之間的傳熱以及通過頸管（guǎn）對液體的輻射傳熱等,準確計算其傳熱是很複雜的。為了減少頸管部分（fèn）的傳熱量,除采（cǎi）用低導熱係數材料,減薄管壁,增加管長等措施（shī）外,增加（jiā）頸管內壁粗糙度和進行塗黑處理,以及對頸管外壁進行拋光,均可以（yǐ）減少其傳熱量。
真空腔及多層絕熱材料
圖片 在（zài）低溫（wēn）閥設計中,為了降低閥門夾（jiá）層中氣體的（de）對流傳熱,閥門的夾層要抽成真（zhēn）空,真空度一般達到10-3Pa以上。而為了獲得和保持這樣的真（zhēn）空度,在真空度達到要求後常用吸氣劑來保持。通常用於低溫裝置的吸氣劑有（yǒu）活（huó）性炭(液氧（yǎng）閥（fá）門（mén）中除外（wài）)和分子篩。 為了（le）降低輻射傳熱,要在真空中安裝防輻射（shè）屏。高真空多層絕熱材料由高（gāo）反射性、低輻射率的屏材料和導熱係數低（dī）的間隔材料組成,常用的有:鋁箔、噴鋁滌綸（lún）薄膜、鋁箔紙、玻璃纖維（wéi）布(紙（zhǐ）)、尼龍網及絲綢等。影響多層絕熱的因素有（yǒu）:材料及其組合方式、真空度（dù）、層密度、總（zǒng）厚度、溫度、機（jī）械負荷及雜質等。
閥門零部件的深冷處理
低溫閥（fá）門（mén）中一般采用不鏽鋼材料作殼體,而奧（ào）氏體（tǐ）不鏽鋼（gāng）在（zài）低溫狀態下存在奧氏體組織向馬氏（shì）體組織轉化的傾向。當奧氏（shì）體向馬氏體轉化時就會造成（chéng）體積的變化,從而使得閥門密封（fēng）麵可能失去密（mì）封性能而失效。為了降（jiàng）低這種轉化量,零部件在精加工前要進行深冷處理,通常采用的方法是在液氮中浸泡1 h~2h,並重複2~3次就能（néng）滿足使用要求。
閥門的試驗
為了保證低溫閥安全可靠地運行（háng）,低溫截止閥在組（zǔ）裝畢後應進行壓力和密封試（shì）驗,以檢驗（yàn）包括閥體與閥聯結處在內的整個閥門的耐壓及密封性能。
殼體進行強度試驗時,其（qí）試（shì）驗過程和程序應符國（guó）家相關標準。由於低溫（wēn）閥多采用（yòng）不鏽鋼,水（shuǐ）壓（yā）試用水的氯化（huà）物含量不應超過25 mg/L。閥門組裝前水壓試驗結束後,應對每個零部件徹底洗淨並（bìng）清除漬,其中油汙含量應符合JB/T 6896-93《空氣分離（lí）備表麵（miàn）清潔（jié）度（dù）》的要求。試驗壓（yā）力為（wéi）設計壓力的1.5倍,合格標準為:在增壓過程中無（wú）異常響聲,無泄漏宏觀上不允許有（yǒu）可見的（de）異常變形。
壓力試驗合格後進行密封試（shì）驗,試驗（yàn）壓（yā）力為設壓力。試驗前對閥體,閥蓋的連接以及填料函、閥密（mì）封麵等處（chù）進行檢查（chá）。為了檢查低溫閥門在使用溫度下密封及操作性能,常溫密（mì）封試驗合格（gé）後要進行低溫檢（jiǎn）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。當閥門生產企業不具備低溫試驗能力時也（yě）可在常溫密封試驗合格（gé）後在（zài）使用單位做。試驗一采取浸泡方式,即把整個低溫閥門浸入液氮進行冷（lěng）卻,液體的水平麵至（zhì）少掩蓋住閥體（tǐ）與（yǔ）閥蓋的連接（jiē）部位,在閥門溫度（dù）穩定後向閥門通入氦氣檢查其密封性能。
安裝調試
低溫截止閥（fá）門的各種試驗（yàn）合格（gé）後運輸到現場,由使用單負責安裝並進行整（zhěng）個低溫係統（tǒng）的檢（jiǎn）驗以及試運（yùn）行。
