Технология и стандарты криогенных клапанов

Аустенитные нержавеющие стали (например, 304, 316L) широко используются для криогенной арматуры благодаря их превосходной ударной вязкости при низких температурах. Однако при комнатной температуре они метастабильны. Когда температура падает ниже точки начала мартенситного превращения (точка Ms, обычно от -50°C до -100°C), часть аустенита необратимо превращается в мартенсит. Это фазовое превращение представляет два основных риска: объемное расширение – мартенсит имеет больший удельный объем, чем аустенит, что приводит к локальному объемному расширению; и микроструктурные напряжения – неравномерное фазовое превращение и разница температур в различных компонентах клапана создают сложные термические и микроструктурные напряжения. Когда эти напряжения превышают предел текучести материала, в деталях, удерживающих давление (особенно в прецизионно обработанных уплотнительных поверхностях седла), происходит необратимая пластическая деформация, разрушающая геометрическую точность, необходимую для герметизации, и приводящая к внутренней утечке.

Для устранения этого риска перед черновой обработкой и после нее необходимо провести криогенную обработку, включающую погружение в жидкий азот при температуре -196°C:

Вызывает превращение большей части нестабильного аустенита в мартенсит. Измерения показывают, что на этой стадии средняя деформация уплотнительной поверхности седла клапана может достигать 2,25 мкм.

Уже деформированные уплотнительные поверхности повторно шлифуются до проектной точности.

Стимулирует трансформацию остаточных следовых количеств нестабильного аустенита. Поскольку подавляющее большинство фазовых превращений завершилось во время первой обработки, деформация после второй обработки чрезвычайно мала и составляет в среднем всего 0,37 мкм, что полностью соответствует высоким требованиям к герметичности. Металлографический анализ подтверждает, что после второй обработки микроструктура практически стабильна, что фундаментально гарантирует стабильность размеров клапана в реальных условиях низкотемпературной эксплуатации.

Для стандартизации технических требований к криогенным клапанам основные промышленные страны и регионы мира установили строгие стандарты. Три наиболее влиятельных стандарта:

Температура рабочей среды от -196°C до -29°C, номинальное давление PN16~PN400 / Class150~Class2500.

Версия стандарта 2019 года явно требует криогенной обработки клапанов из аустенитной нержавеющей стали, используемых в условиях эксплуатации ниже -100°C.

Подробные положения о принципах выбора низкотемпературных литых сталей (например, LC3, LC9) и аустенитных нержавеющих сталей.

Обеспечивает более точный контроль скорости утечки.

Налагает строгие требования к летучим выбросам из штока клапана и соединения корпуса с крышкой (например, утечка штока ≤ 100 ppmv).

Шиберные, запорные, шаровые, дисковые, обратные клапаны и т. д. Версия 2019 года добавила осевые обратные клапаны, шаровые клапаны с верхним вводом и дисковые клапаны с верхним вводом.

Являясь одним из первых стандартов, посвященных криогенным клапанам, BS 6364 широко применяется в мировой индустрии СПГ и служит фактической международной спецификацией.

Предписывает удлиненную конструкцию корпуса для обеспечения поддержания температуры набивного сальника при температуре окружающей среды, предотвращая отказ набивки и замерзание штока из-за низких температур.

Определяет полную процедуру от испытаний давлением при температуре окружающей среды до испытаний криогенных характеристик.

Предоставляет систематические нормы по ударной вязкости материалов при низких температурах, сварочным процедурам, неразрушающему контролю и т. д.

Фокусируется на конкретных требованиях к запорным клапанам (например, задвижкам, шаровым кранам, пробковым кранам) для низкотемпературных применений.

Предназначен для использования совместно с базовыми стандартами, такими как ISO 5208 (Промышленные клапаны – Испытания давлением).

Предоставляет стандартизированное криогенное испытательное оборудование, процедуры и критерии приемки.

Акцентирует внимание на ключевых конструктивных элементах, таких как отверстия для сброса давления, невыбивающиеся штоки и пожарная безопасность.

Надежность криогенной арматуры — это жизненно важный аспект криогенной техники. Благодаря научно обоснованному двухступенчатому процессу криогенной обработки можно принципиально решить проблему деформации фазового превращения при низких температурах в аустенитной нержавеющей стали. Три основных стандарта — GB/T 24925, BS 6364 и ISO 28921 — в совокупности формируют систему технических норм, охватывающую всю цепочку: от материалов, проектирования, производства до испытаний. На практике при проектировании следует выбирать и соблюдать соответствующие стандарты в зависимости от местоположения объекта, спецификаций заказчика и характеристик среды, чтобы обеспечить долгосрочную, безопасную и герметичную работу арматуры в условиях экстремально низких температур.