低溫閥門關鍵性能國內外標準技術差異分析

吳超俊 繆克在 胡志濤 方威 張帆

摘 要：為了研究低溫閥門關鍵性能與結構，本文對比了GB/T 24925—2019、BS 6364-1984（R1998）、ISO 28921-1：2022、MSS SP-134-2012等國內外標準在適用范圍、主要技術指標、測試方法的區(qū)別以及由此產生的影響。綜述了低溫閥門的應用工況、典型產品分類、典型殼體材料、典型結構特征以及國內外常用標準分類等，指出了低溫閥門的溫度范圍、伸長頸部結構設計特征以及需進行低溫性能試驗的溫度臨界點等。闡述了國標GB/T 24925—2019規(guī)定的低溫試驗過程未區(qū)分硬密封與軟密封閥座泄漏率以及閥座泄漏率測量的局限性，通過理論分析驗證說明了閥座泄漏率準確測量與換算方法，為低溫閥門性能提升以及國標的完善與修訂提供技術指引。

關鍵詞：低溫閥門，關鍵性能，低溫性能試驗，閥座泄漏率

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.09.028

0 引 言

低溫閥門廣泛應用于LNG、LO2、LN2、乙烯、丙烯等低溫制冷工況領域，起到流通、截斷、調節(jié)等關鍵作用，其典型結構特征為具有伸長頸部閥蓋、部分帶有隔離滴盤等結構。常見低溫閥門產品分為低溫球閥、低溫閘閥、低溫截止閥、低溫止回閥、低溫蝶閥、低溫控制閥、低溫緊急切斷閥等。低溫閥門常用殼體材質分為奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鋁合金、銅合金等。低溫閥門的國內外標準如GB/T 24925—2019[1]、BS 6634—1984（R1998）[2]、ISO28921-1：2022[3]、MSS SP-134-2012[4]之中的適用范圍、主要技術指標、低溫測試方法等存在較大差異，以及國標GB/T 24925—2019關于閥座泄漏率的軟密封與硬密封指標不區(qū)分的局限性，經(jīng)常引起閥門工廠的標準理解與技術制作的混淆，不利于出口貿易以及實現(xiàn)以國代進的應用。本文結合學者研究與實踐總結，闡述了常用低溫閥門標準分類，通過國內外標準對比分析，重點從低溫閥門適用范圍、主要技術指標、測試方法來分析技術差異以及由此產生的影響。通過理論分析驗證，提出了低溫閥門閥座泄漏率的準確測量與換算方法，為低溫閥門產品質量提升、縮小國內外差距提供技術支撐。

1 標準分類

目前國內外，常用低溫閥門標準主要分類如下：

（1）國際標準：ISO 28921-1：2022、ISO 28921-2：2015[5]。

（2）英標：BS 6364—1984（R1998），目前已作廢，但歐美國家閥門工廠仍然采信其指標進行驗貨。

（3）美標：MSS SP-134-2012，該標準被ASMEB 16.34-2020[6]引用，但閥門行業(yè)內較少使用。

（4）國標、行標：GB/T 24925—2019《低溫閥門技術條件》、JB/T 12621—2016[7]《液化天然氣閥門技術條件》、GB/T 24918—2010《低溫介質用緊急切斷閥》等，其中GB/T 24925—2019國內最為常用。

（5）安全技術規(guī)范：TSG D7002—2023[8]《壓力管道元件型式試驗規(guī)則》附錄E3規(guī)定了低溫閥門的型式試驗項目與方法等要求。

2 技術差異分析及影響

通過對比分析GB/T 24925—2019、BS 6634—1984（R1998）、ISO 28921-1：2022、MSS SP-134-2012等低溫閥門常用標準，從適用范圍、主要技術指標、測試方法等多方面分析技術差異及影響，見表1～表4。

2.1 適用范圍

由表1分析可知：（1）國際、國外標準I S O28921-1：2022、MSS SP-134-2012、BS 6364—1984（R1998）較國標GB/T 24925—2019在公稱壓力、公稱尺寸方面范圍更廣。（2）國標GB/T 24925—2019在適用溫度范圍、適用產品類型方面較ISO 28921-1：2022和BS 6364—1984（R1998）標準更廣；但根據(jù)安全技術規(guī)范TSG D7002—2023的規(guī)定“低溫閥門為設計溫度低于-46℃的閥門”，綜合閥門工廠的生產、設計與制造實踐以及ISO 28921-1：2022、BS 6364—1984（R1998）等標準對低溫閥門適用溫度范圍的規(guī)定，表明GB/ T 24925—2019的適用溫度-196℃～-29℃的規(guī)定具有其局限性與不合理性，即- 46℃～-29℃溫度區(qū)間已不再列為低溫閥門范疇，這點在2019年之后發(fā)布的閥門國標如GB/T 12 2 3 4—2 019 [ 9] 等標準中得到驗證。（3）M S SSP-134-2012標準規(guī)定的低溫下限為-254℃，這是目前國內外少有的能適用于當前較前沿研究的液氫、液氦閥門低溫試驗的標準之一；該標準也規(guī)定了低溫閥門的可在65℃下操作的要求，這個規(guī)定不僅解決了一直以來閥門工廠與用戶對低溫閥門在常溫貯存過程中是否會損壞存在的爭議，而且65℃也是國家安全規(guī)范規(guī)定的LNG的臨界溫度點之一。

通過低溫閥門適用范圍的分析，明確了低溫閥門的定義與設計溫度范圍、進行低溫試驗的臨界溫度為-46℃以下等內容，為指引低溫閥門的選型與標準運用提供了技術基礎，為閥門的液氫、液氦等超低溫研制與低溫試驗提供了參考。

2.2 主要技術指標

低溫閥門的主要技術指標包括閥蓋伸長頸部、隔離滴盤、中腔泄壓結構、防靜電結構、耐火結構、閥體壁厚、無損檢測的關鍵性能與結構，如表2、表3所示。

由表2分析可知：（1）結合表1的適用溫度范圍，GB/T 24925—2019、BS 6364—1984（R1998）、ISO 28921-1：2022等3項標準對-196℃～-50℃溫度區(qū)間的低溫閥門應設置閥蓋伸長頸部的規(guī)定基本相同，但伸長頸部的長度有區(qū)別；GB/ T 24925—2019還規(guī)定了-50℃～-29℃應設置隔熱層并規(guī)定了隔熱層的長度；（2）除訂貨合同規(guī)定外，MSS SP-134-2012將需設置閥蓋伸長頸部的設計溫度規(guī)定為低于-73℃，也明確提出了止回閥無需設置閥蓋伸長頸部的要求，有別于表2中其他3項標準。（3）隔離滴盤可起防止冷凝水進入伸長閥蓋的保溫層的作用，GB/T 24925—2019與ISO 28921-1：2022均規(guī)定按合同要求，表2中其余2項標準均未述及。（4）中腔泄壓機構，表2中4項標準均規(guī)定雙閥座密封應設置中腔泄壓結構，其中ISO 28921-1：2022還規(guī)定了“上游密封閥門的內腔壓力應泄放到關閉件的下游，下游密封閥門的內腔壓力應泄放到關閉件的上游”的詳細描述。

由表3分析可知：（1）防靜電結構設計：GB/T 24925—2019、ISO 28921-1：2022標準均規(guī)定了易燃介質的軟密封（或非金屬閥座）閥門需設置防靜電結構；BS 6364—1984（R1998）規(guī)定為易燃介質的閥門，未區(qū)分軟密封或硬密封；MSS SP-134-2012未述及防靜電結構。（2）耐火結構設計：GB/T24925—2019、ISO 28921-1：2022標準均規(guī)定了按合同或工況要求，表2中其余2項標準均未述及。（3）閥體壁厚：表2中4項標準均有規(guī)定，其中BS 6364-1984（R1998）按產品設計標準，標準操作性最強。（4）無損檢測要求：GB/T 24925—2019規(guī)定最為詳細，包括“鑄件殼體、焊縫、焊接坡口、鍛造的閥體/閥蓋/閥桿、硬質合金密封面堆焊表面、殼體承壓外表面等部位的RT、UT、PT和MT”；BS 6364-1984（R1998）僅規(guī)定了焊縫、鑄件的RT要求，MSSSP-134-2012僅規(guī)定了焊縫的無損檢測要求，而ISO28921-1：2022未述及。

通過主要技術指標的對比與分析，為廣大閥門工廠、用戶對低溫閥門關鍵性能與結構的設計、選型、工況運用等方面提供了重要技術支撐。

2.3 試驗方法

文中重點闡述低溫閥門的常溫性能試驗、低溫性能試驗、恢復至常溫后性能試驗等低溫閥門關鍵性能的試驗方法，如表4所示。

由表4分析可知：

（1）常溫性能試驗：表2中4個標準均按相應的壓力試驗標準執(zhí)行，但BS 6364-1984（R1998）提出了球閥可用6.9 bar氣壓替代額定壓力進行閥座密封試驗要求，為拓展低溫球閥密封試驗與標準完善提供了指引。

（2）低溫性能試驗：

1）表2中4項標準規(guī)定的低溫試驗溫度范圍各有不同，但都包含較為常用的-196℃，其中GB/T24925—2019規(guī)定的“-46℃～-29℃”低溫范圍已被TSG D7002-2023規(guī)定為無需進行低溫試驗，這與其余3項標準描述相一致。

2）BS 6364-1984（R1998）僅規(guī)定了高壓密封試驗，試驗壓力為冷態(tài)工作壓力CWP，但對各壓力增量階段規(guī)定了閥座泄漏率測量與記錄。其余3個標準均分別規(guī)定了低溫性能試驗時的閥座低壓密封和高壓密封試驗，但MSS SP-134-2012規(guī)定的低壓密封試驗壓力5.5 bar和高壓密封試驗壓力（≤CL600時試驗壓力約為75%CWP，≥CL900時試驗壓力為124.1 bar，大于NPS24閥門試驗壓力限為20 bar，對焊端閥門試驗壓力限為14 bar），明顯區(qū)別于ISO28921-1：2022與GB/T 24925-2019規(guī)定的低壓密封試驗壓力0.2 MPa和高壓密封試驗壓力CWP。

3）被測閥低溫浸泡溫度穩(wěn)定后，ISO 28921-1：2022未規(guī)定低溫操作要求，其余3項標準均有規(guī)定。其中，GB/T 24925—2019規(guī)定為0.2 MPa氣壓下低溫操作5次，MSS SP-134-2012規(guī)定為至少1 bar氣壓下啟閉3次，而BS 6364-1984（R1998）規(guī)定為空載啟閉20次且測試首次與末次啟閉操作力。

4）低溫性能試驗過程中，閥座泄漏率是評估低溫閥門質量的關鍵指標。表4中，GB/T 24925—2019與BS 6364-1984（R1998）規(guī)定的閥座泄漏率指標一致。ISO 28921-1：2022與MSS SP-134-2012規(guī)定的閥座泄漏率更為具體，根據(jù)不同介質種類、不同公稱壓力、軟密封與硬密封等做了區(qū)分。其中，ISO 28921-1：2022規(guī)定的止回閥泄漏率比GB/T 24925—2019較大，其他閥門泄漏率（測試介質He時，公稱尺寸≤Class900為50DN（mm3/s），公稱尺寸＞Class900為100DN（mm3/s），當測試介質為N2時泄漏率為He時的1/2）；MSS SP-134-2012規(guī)定的閥座氦氣泄漏率，如表5所示，對軟密封與硬密封結構、試驗壓力、產品種類等做了細分。

5）被測閥低溫浸泡時間與測試效率緊密相關，目前僅有ISO 28921-1：2022與BS 6364—1984（R1998）對低溫浸泡時間提出了規(guī)定。其中，ISO28921-1：2022規(guī)定為熱電偶達到測試溫度后至少浸泡20 min，BS 6364—1984（R1998）規(guī)定為閥體、閥蓋達到試驗溫度后浸泡至少1 h。結合閥門低溫試驗測試經(jīng)驗、測試儀器條件，以及閥體閥蓋溫度最終通過熱電偶反饋的特征。本文認為可根據(jù)不同尺寸閥門結構、體積、重量對低溫浸泡時間進行合理分配，以提高效率、降低測試成本，實際操作中建議參考表6執(zhí)行。考慮制冷介質使熱電偶達到低溫測試溫度的時間，若記錄中表述為“浸泡時間”建議在表6規(guī)定的“熱電偶達到測試溫度后低溫浸泡時間”基礎上增加0.5 h為宜。

（3）恢復至常溫后性能試驗：I S O 2 8 9 21-1：2022未述及除外，GB/T 24925—2019與BS 6364—1984（R1998）表述一致，均為進行試驗壓力為CWP閥座密封以及開關扭矩測量等。MSS SP-134-2012表述為試驗壓力為5.5 bar低壓密封試驗、試驗壓力13.8 bar的殼體試驗，殼體試驗可采用氣泡檢漏法或逸散性試驗。此外，GB/T 24925—2019也規(guī)定了性能試驗后的拆卸對零件進行磨損情況檢查。

通過閥門低溫性能試驗等關鍵試驗方法的對比與分析研究，為內銷與出口低溫閥門產品的驗證測試提供指引。尤其是指出的閥座泄漏率指標因密封類型、介質種類、試驗壓力、閥門類別等不同而產生的差異，以及低溫試驗浸泡時間方案，將為降低工廠成本、提高測試效率以及指引閥門工廠制造更為精細、更高品質的低溫閥門產品提供技術支持。

3 閥座泄漏率測量與換算

閥門低溫試驗過程中閥座泄漏率的測量受溫度影響較大，為了實現(xiàn)較準確的對閥座泄漏率進行測量，參考了ISO 28921-1：2022、MSS SP-134-2012等2項低溫閥門標準中部分描述，假設壓力恒定或不變條件下根據(jù)質量守恒原理提出以下?lián)Q算，見公式（1）。

4 結 語

本文綜述了低溫閥門常用標準分類，并通過對低溫閥門常用標準GB/T 24925—2019、BS 6634—1984（R1998）、ISO 28921-1：2022、MSS SP-134-2012等內容的對比，分析了低溫閥門的適用范圍、主要技術指標、試驗方法等的差異及產生的影響，指出了低溫閥門的溫度范圍、需進行低溫試驗的溫度臨界點、關鍵結構特征選型、性能試驗以及閥座泄漏率設計與測試驗證、低溫試驗浸泡時間方案等重要內容，并歸納了不同介質、試驗壓力、密封類型、產品類別等引起的閥座泄漏率變化情況。通過質量守恒理論分析驗證，提出了低溫閥門閥座泄漏率的準確測量與換算方法。深入研究了低溫閥門的關鍵結構特征與性能以及國內外標準的技術差異，為低溫閥門選型與質量提升、國標修訂、縮小與國外同類產品差距提供技術支撐。

參考文獻

[1]全國閥門標準化技術委員會.低溫閥門 技術條件：GB/T24925—2019[S].北京：中國質檢出版社，2019.

[2]BSI.Valves for cryogenic service：BS 6634-1984（R1998）[S].London： BSI，1984.

[3]I S O. I ndust r ia l va lve s—I sol at in g va lve s for lowtemperature applications—Part 1： Design， manufacturing and production testing： ISO 28921-1：2022[S]. Switzerland：ISO，2022.

[4]MSS.Valves for Cryogenic Service， including Requirements for Body/Bonnet Extensions： MSS SP-134-2012[S].USA：MSS，2012.

[5]I S O. I ndust r ia l va lve s—I sol at in g va lve s for lowtemperature applications—Part 2： Type testing： ISO 28921-2：2015[S].Switzerland： ISO，2015.

[6]ASME.Valves—Flanged， Threaded， and Welding End：ASME B16.34-2020[S].USA： ASME，2021.

[7]全國閥門標準化技術委員會.液化天然氣閥門 技術條件：JB/T 12621—2016[S].北京：機械工業(yè)出版社，2016.

[8]國家市場監(jiān)督管理局.壓力管道元件型式試驗規(guī)則：TSG D7002—2023[S].北京：新華出版社，2023.

[9]全國閥門標準化技術委員會.石油、天然氣工業(yè)用螺柱連接閥蓋的鋼制閘閥：GB/T 12234—2019[S].北京：中國標準出版社，2019.

[10]全國閥門標準化技術委員會.閥門殼體最小壁厚尺寸要求規(guī)范：GB/T 26640—2011[S].北京：中國質檢出版社，2011.

[11]全國閥門標準化技術委員會.閥門的檢驗和試驗：GB/T26480—2011[S].北京：中國標準出版社，2011.

[12]BSI. Industrial valves—Testing of metallic valves Part 1：Pressure tests， test procedures and acceptance criteria—Mandatory requirements： BS EN 12266-1：2012[S].UK：BSI Standards，2012.

[13]ISO. Industrial valves—Pressure testing of metallic valves：ISO 5208：2015[S].Switzerland： ISO，2015.

作者簡介

吳超俊，本科，工程師，研究方向為閥門設計工藝、檢測技術與設備。

繆克在，通信作者，碩士研究生，高級工程師，研究方向為閥門設計工藝、標準化、檢測技術與設備。

（責任編輯：張佩玉）