1  低温阀门概述

1.1  定义与温度界限

低温阀门（Cryogenic Valve）指设计用于介质温度 ≤ ?29℃ 工况的阀门。按温区分，通常分为低温（?29℃~?100℃）、深冷（?100℃~?196℃，如液氮、LNG）与超低温（?196℃ 以下，如液氢 ?253℃、液氦 ?269℃）三档。随着液化天然气（LNG）、空气分离（液氧/液氮/液氩）、液氢能源与乙烯装置的快速发展，低温阀门已成为低温工程中控制介质通断、分流与安全隔离的关键设备。

与普通阀门相比，低温阀门面临的核心挑战是材料低温脆断、密封副低温收缩失配、阀杆填料结冰失效以及启闭扭矩剧增。因此，低温阀门在材料选择、结构设计和型式试验方面均有严格、专门的要求。

1.2  常用低温阀门类型

? 低温球阀：90° 快速启闭，软密封可达零泄漏，广泛用于 LNG、液氢的切断与 ESD 紧急切断。

? 低温闸阀：阀芯全通径、流阻小，适合管线主隔离与大口径场合。

? 低温截止阀/升降式止回阀：用于节流、调节与单向止回，常见于空分装置。

? 低温蝶阀：大口径、低成本，用于储罐进出料与低压管线。

? 低温安全阀、调节阀：用于低温系统的超压保护与流量控制。

2  相关标准与规范

低温阀门的设计、材料、试验与验收需遵循以下主流国际及国内标准，采购时应根据项目所在区域与业主规定组合选用。

3  阀体及内件材料

3.1  低温钢铸件（ASTM A352）

对于 ?46℃ 以上的低温工况，可采用含镍降脆转变温度的低温碳钢/合金钢铸件；?46℃ 以下则不宜使用铁素体/马氏体钢，须改用奥氏体不锈钢。下表依据 JB/T 7248，给出常用低温钢铸件牌号及其最低冲击试验温度（通常即最低适用温度）。

说明：LCC 低温性能优于 LCB，抗拉强度 485~655 MPa；A352 系列成分控制与热处理工艺复杂，?46℃ 以下工况建议直接选用奥氏体不锈钢（A351 系列 CF3、CF3M 等），可在 ?196℃ 长期使用。

3.2  奥氏体不锈钢铸件（ASTM A351）——低温首选

奥氏体不锈钢为面心立方（FCC）结构，低温下不存在韧脆转变点，冲击功随温度下降保持高位，是 LNG、液氮、液氧及液氢阀门的绝对主流阀体材料。JB/T 7248 规定其主要牌号最低冲击试验温度如下：

性能要点：奥氏体不锈钢（304L/316L）在 ?196℃ 的夏比 V 形缺口（CVN）冲击功普遍 >100 J，?269℃ 仍可保持 >60 J。其中 CF3M（316L 铸态）因含 2%~3% 钼、耐点蚀且低碳，是 LNG 球阀阀体应用最广的材料。需注意：冷变形会诱发马氏体（尤其 304L），降低低温韧性，冷成形后应进行固溶处理恢复奥氏体；焊缝铁素体数（FN）宜控制在 3~10，避免 δ-铁素体过多导致低温脆化。

3.3  阀杆、球体与内件材料

? 阀杆：A182 F316/F316L 锻件，超低温或高扭矩场合用 Inconel 718。

? 球体/阀芯：SS316，可 HVOF 喷涂碳化钨提高硬度而不致脆化；硬密封堆焊 Stellite 6（司太立）。

? 氧用场合阀芯/阀座可采用铝青铜（CuAl），避免钢对钢摩擦起火花。

4  密封与填料系统设计

4.1  阀座（密封副）材料

低温密封材料面临低温脆化、热收缩与介质溶解三大挑战，选材的首要判据是玻璃化转变温度（Tg）而非常温化学相容性。

4.2  阀杆填料与长阀颈（Extended Bonnet）

? 长阀颈（冷箱阀颈）：阀颈长度通常 150~500 mm，建立阀体低温至填料处的温度梯度，使填料区温度升至 0℃ 以上，防止阀杆结冰与填料失效；BS 6364 对最小阀颈长度有指导性要求。

? 填料总长 ≥ 50 mm（BS 6364），材料选用柔性石墨或纯 PTFE；常规石棉/石墨填料在 ?196℃ 收缩 2%~4%，密封比压下降。

? 填料函外设蒸汽或电伴热夹套，维持填料工作温度 >0℃；工程实践表明带伴热填料 5 年更换率约 8%，无伴热约 45%。

? 阀杆可镀银降低摩擦系数约 30%，或使用低温润滑脂（如 Krytox）。

5  典型结构设计要点

1. 长阀颈 + 隔热/防冰设计，填料函置于冷蒸气区之外。

2. 防阀杆吹出（blow-out proof stem）结构，满足低温高压安全。

3. 阀体泄压/排液结构，避免腔体内液体汽化超压（低温阀门特有风险）。

4. 防静电装置：球体—阀杆—阀体保持导电连续，防止可燃介质静电积聚（液氢尤其关键）。

5. 火灾安全二级金属阀座设计，PTFE 烧毁后仍可密封（API 607 / ISO 10497）。

6. 端部连接：法兰、对焊（BW）、螺纹；高压大口径优先对焊以减少泄漏点。

7. 执行机构：气动/电动/液动，ESD 场合配弹簧复位紧急切断；?196℃ 启闭扭矩较常温高 40%~60%，执行器需留余量。

6  低温型式试验（BS 6364）

低温阀门出厂与型式试验须严格按 BS 6364 等标准执行，典型流程如下：

8. 去油脱脂：零部件清洗、干燥，在洁净无尘环境组装；螺栓按预定扭矩紧固并记录。

9. 常温氦气初检：验证阀门状态合格，作为低温试验基准。

10. 液氮浸泡冷却：阀体/阀盖浸入液氮（?196℃），液面覆盖阀体阀盖结合面以上，并持续吹扫氦气。

11. 保温 ≥ 1 h：直至阀体、阀盖温度均匀稳定在 ?196℃。

12. 低温密封试验：在 ?196℃ 下重复常温初检；双向（可双向密封者）分别做阀座压力试验，按 PN 分级升压（PN20 每级 3.5 bar、PN50 为 7.5 bar、PN64 为 10 bar、PN100 为 20 bar），记录各阶段泄漏率，要求 ≤ 100 mm3/s × DN。

13. 启闭循环：开关 20 次，测量首次与末次启闭力/扭矩。

14. 填料与中法兰检漏：阀全开、出口针阀关闭，阀腔保压 15 min，阀杆填料与阀体/阀盖结合面应无可见泄漏。

GB/T 24925 要求 ?46℃ 低温试验保压时间 ≥ 2 h，泄漏率 ≤ 0.01×DN mm3/s。液氢等超低温应用还需增加热循环（thermal cycling）与氢致开裂评估。

7  适用工况与典型应用

7.1  不适用或需谨慎的工况

? 双相不锈钢主件不适用于 ?162℃ LNG 主工艺（低温韧性仅约 ?46℃）。

? 超高压（>50 barg）低温管线建议阀体采用锻件 F316L 而非铸件 CF3M，以保证低温冲击一致性；铸件更适合 ≤15 barg 罐区等低压场合。

? 强氧化剂（液氧）场合需严格控制油脂、异物与可燃密封材料，遵循 NFPA 50/55、CGA G-4.4 等规范。

8  选型与采购要点

15. 明确最低设计温度、设计压力、介质及相态（是否存在闪蒸/汽化超压）。

16. 按温度档选材：?46℃ 以上用 LCC/LCB，?46℃ 以下一律奥氏体不锈钢；?100℃ 以下软密封须用 PCTFE 或金属密封。

17. 明确低温冲击试验要求：采购规范宜规定 ?196℃ CVN 冲击功（平均值 ≥40 J、单值 ≥30 J，或按 ASME B31.3 平均值 ≥54 J、单值 ≥47 J）。

18. 注明长阀颈长度、填料型式、是否带伴热、防静电与火灾安全认证（API 607）。

19. 液氢/甲烷场合强调逸散泄漏等级（ISO 15848）与 ESD 紧急切断功能。

20. 要求提供 MTR（材质报告）、低温试验报告、氦检漏数据与 NDE 记录。

9  安装、操作与维护

? 安装前进行管线吹扫、去油脱脂（尤其氧用），阀门按流向标识安装。

? 低温预冷（cool-down）应缓慢进行，避免热冲击造成密封或阀体损伤；首次投运建议分段降温。

? 操作扭矩较常温显著增大（约 +40%~60%），禁止超扭矩强行启闭。

? 定期检查填料函伴热与氮封（若有），防止阀杆结冰；填料一般 2~5 年视工况更换。

? 长期停用应泄压、排净腔体内积液，避免常温汽化超压。

10  结语

低温阀门的本质，是在极低温环境下同时解决「材料不脆、密封不失、阀杆不冰、操作不卡」四大问题。工程选型可归纳为三句话：低温韧性靠奥氏体不锈钢（CF3M/F316L 为首选）、超低温密封靠 PCTFE 或金属对金属、可靠运行靠长阀颈 + 合格低温试验（BS 6364 / GB/T 24925）。把握这三条主线，并结合具体介质（LNG、液氢、空分、乙烯）的专项规范，即可完成安全、经济的低温阀门选型与采购。