1　引言

隨著新型氫氧研制的深入,對于火箭發(fā)動機氫氧溫區(qū)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(qū)用的低溫截止閥已達到DN250,液氧溫區(qū)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(lǐng)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。以下針對高真空多層低溫截止閥設(shè)計時應(yīng)考慮的問題進行討論與分析。

2　低溫閥門的定義及結(jié)構(gòu)

低溫閥是一種在溫度等于或低于120 K的介質(zhì)中工作的閥門。低溫閥除了應(yīng)滿足一般閥門所具備性能之外,更主要的是在低溫狀態(tài)下保證密封面的封性能,動作靈活,漏熱低等特點,而其關(guān)鍵技術(shù)對漏熱的要求。因此根據(jù)絕熱方式的不同,其結(jié)構(gòu)要有堆積絕熱式、高真空絕熱、真空粉末絕熱和高空多層絕熱等多種形式。

3　低溫截止閥的材料

由于低溫閥工作介質(zhì)的低溫性質(zhì),使低溫閥門對材料有許多特殊要求。

3. 1  材料耐低溫性能

低溫閥不僅要求在低溫下保證正常工作,同時要保證其常溫的工作機械性能,也要滿足低溫下所需的機械性能,尤其是沖擊功和相對延伸率的要求。針對以上要求,為了防止材料在低溫下的低應(yīng)力脆斷,一般多采用奧氏體組織的材料,如:奧氏體不銹鋼鑄件、銅、銅合金、鋁及鋁合金等。這是因為經(jīng)過對低應(yīng)力脆性斷裂特點研究,對金屬斷裂機理進行分析發(fā)現(xiàn),金屬的低溫韌性即缺口處的金屬微觀塑性變形能力是決定設(shè)備抵抗應(yīng)力脆斷破壞的關(guān)鍵。實驗表明,具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼基本上沒有這種溫度效應(yīng),即沒有低應(yīng)力脆斷。這是因為當溫度降低時,面心立方金屬的屈服強度沒有顯著變化,而且不易產(chǎn)生形變孿晶,位錯容易運動,局部應(yīng)力易于松弛,裂紋不易傳播,一般沒有脆性轉(zhuǎn)變溫度。

3. 2　與低溫介質(zhì)的相容性

材料與低溫介質(zhì)的相容性就是要求材料本身不能與低溫介質(zhì)發(fā)生任何物理化學(xué)變化,不能引起腐蝕及爆炸。如在氧介質(zhì)中工作的材料,不允許使用玻璃鋼作為絕熱材料,也不允許使用活性碳作為吸氣劑,因為它們均能與氧發(fā)生燃燒爆炸。

3. 3　具有相對低的導(dǎo)熱性,即熱導(dǎo)率相對低

低溫截止閥輸送的介質(zhì)溫度低,介質(zhì)成本高,而且介質(zhì)的突然汽化也會給設(shè)備的安全運行帶來極大危害。所以低溫截止閥對漏熱的要求較高。為了降低傳熱,在合理選擇絕熱的前提下,應(yīng)盡量采用熱導(dǎo)率相對低的材料,以降低低溫介質(zhì)的蒸發(fā)量。

3. 4　在低溫無油潤滑的情況下,具有必需的硬度和耐磨性

閥門依靠閥桿的運動開啟和關(guān)閉,閥桿傳遞的作用力又使密封面達到一定的密封力。這就要求制作截止閥零部件的材料必須有一定的硬度和耐摩性。鋁和鋁合金在低溫截止閥中的使用有一定的限制,主要是因為硬度不夠,會導(dǎo)致密封表面比鋼和黃銅失效得更快[1]。 目前使用較多的金屬材料有:不銹鋼、銅合金、鋁合金、鎳合金等;非金屬材料有:玻璃鋼、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺、石棉繩、橡膠等,其中玻璃鋼大多作為熱橋零件,而聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺多作為密封面材料,石棉繩、橡膠、填料等多作為閥桿密封材料。

4　低溫截止閥的密封

低溫介質(zhì)的成本以及危害性等特點,使低溫閥門的密封設(shè)計在整個設(shè)計過程中占有相當重要的位置要求在一定工作條件下不能泄露,低溫截止閥的密封要包括閥桿密封和密封面密封。

4. 1　閥桿密封

目前低溫截止閥的閥桿密封有填料函和波紋管兩種其中在成批生產(chǎn)的空氣分離裝置上的閥門,其閥桿多采用填料函密封結(jié)構(gòu)。在有毒易燃易爆氣體介質(zhì)中工作的閥門,閥桿可以采用波管密封,但在大于等于80MPa的高壓氣體中,由波紋管不能承受如此高的外壓,只能采用填料函密封填料函密封由于制造加工簡單、維修更換方便在實際生產(chǎn)中應(yīng)用相當普遍。但是為保證填料的密性能,其工作溫度一般不能低于-40℃,這就要求低溫閥門上工作的填料函裝置應(yīng)盡量在接近環(huán)境溫下工作。通常情況下,填料不結(jié)霜即認為其處于正的工作狀態(tài),但如果由于填料本身或工作壽命的原使填料不密封,則低溫氣體通過填料就會造成泄漏并使填料函冷凍結(jié)霜,又會造成填料的進一步泄漏失效。在航天領(lǐng)域應(yīng)用的很多低溫閥門系列中,由于成原因大多采用了填料函密封結(jié)構(gòu),而為了確保閥桿填料函的溫度,均采用了加長閥桿長度的方法,所造成這些低溫閥的尺寸均比較大。

波紋管密封截止閥多用于介質(zhì)不允許微量泄漏和不適填料的場合。在波紋管的設(shè)計中,其壽命是關(guān)鍵,波紋管的壽命與其行程大小和初始安裝狀態(tài)有關(guān)。保證波紋管截止閥的使用壽命,在行程一定的情況下,安裝波紋時要保證其不承受附加外力的作用;在工作狀態(tài)下由于波紋管承受的是外壓,其工作狀態(tài)較好,但由低溫閥門的快速關(guān)閉或管道中可能存在的氣穴都可能引水擊。因此在波紋管承受的計算壓力時,要加上定的安全系數(shù),并盡可能使波紋管避免直接承受水擊。

4. 2　密封面密封

低溫閥門密封面的結(jié)構(gòu)大體上分為平面、錐面球面、刀形等密封形式。其中平面密封由于加工造簡單應(yīng)用較為廣泛,尤其適合應(yīng)用在大口徑閥門中但由于其平面結(jié)構(gòu)的特點使其密封力比較大,需要操作力也較大。錐面和球面密封副在小口徑閥門中用較為廣泛,有好的應(yīng)用實例。由于是錐面形式,所需密封力和操作力比較小,但在大口徑閥門中很少用,不僅因為其加工制造困難,而且在低溫狀態(tài)下由材料收縮、材料金相組織變化和加工誤差等多種因素作用,使密封面在低溫下容易失去密封性能而造成閥泄漏。

對于制作密封面(閥頭-閥座)的材料,不僅要求其有一定的機械強度,更重要的是要保證較高的表面硬度。密封面的材料一般不采用鋁和鋁合金,因為其硬度太差,通常均采用不銹鋼、銅合金、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺等材料(聚碳酸脂也可用做密封面材料,但沒有成熟的使用數(shù)據(jù))。隨著發(fā)展,開始嘗試使用增強聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯應(yīng)用于低溫截止閥的密封面,且效果也不錯。對以上閥頭-閥座的配對材料中,為了保證密封性能,一定要注意表面粗糙度的選擇。

5　摩擦副的設(shè)計

低溫閥門經(jīng)常使用的殼體和閥桿材料主要是0Cr18Ni9不銹鋼材料。不銹鋼材料在低溫下的總體機械性能得到了提高,只是δ5、AKV值有所降低,且在常溫狀態(tài)下摩擦部分極易出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。低溫閥中摩擦副將嚴重影響整個閥門工作的可靠性,且為了防止污染低溫介質(zhì),不允許使用防止零件磨損和咬死的潤滑劑。低溫閥門在常溫狀態(tài)工作時,為確保不出現(xiàn)咬死現(xiàn)象,應(yīng)選用不同材料或把摩擦副材料的硬度錯開。

在實際設(shè)計中,通常采用0Cr18Ni9-黃銅,但0Cr18Ni9-2Cr13摩擦副較好不要相配合。

6　閥門的漏熱

在低溫閥門中,由于介質(zhì)成本較高,閥門漏熱是關(guān)鍵問題。通過閥門的漏熱主要有2部分:通過閥門殼體的漏熱和機械構(gòu)件的漏熱。

6. 1　通過閥門殼體的漏熱

為了降低通過閥門殼體的漏熱,一般采用外堆積絕熱和真空(多層)絕熱方式。外堆積絕熱一般應(yīng)用在小口徑或很少維修的場合(因為外堆積絕熱的維修成本高),真空多層一般應(yīng)用在大口徑和液氫、液氦的低溫截止閥門中。在真空型的絕熱體中,熱量通過絕熱體是以輻射、固體傳導(dǎo)和氣體傳導(dǎo)等幾種方式進行傳遞的。要準確地計算這部分熱量很困難,工程上用總的表觀導(dǎo)熱系數(shù)來處理。

6. 2　機械構(gòu)件漏熱

機械構(gòu)件漏熱分為兩種情況:沒有冷氣冷卻的構(gòu)件和有冷氣冷卻的構(gòu)件。 在設(shè)計中為了降低這類構(gòu)件的漏熱在滿足構(gòu)件強度和剛度要求的同時可以采取加長構(gòu)件長度、減小構(gòu)件截面積的方法來降低漏熱量;或者允許的前提下將構(gòu)件分段,一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),該法通常用于降低閥桿漏熱;另外還可以通過采用導(dǎo)系數(shù)較小的材料來降低漏熱量,該方法通常用于降閥門支撐件的漏熱,支撐件材料一般采用導(dǎo)熱系數(shù)為0•25W / (m•K) ~0. 45 W / (m•K)的玻鋼。支撐形式在工程上常有三角形、正方形、球環(huán)等結(jié)構(gòu)形式。有冷氣冷卻的構(gòu)件,其頸管的傳熱情況比較復(fù)雜包括冷、熱兩端之間的熱傳導(dǎo),冷蒸氣與頸內(nèi)壁的流傳熱,頸管外壁與絕熱層之間的傳熱以及通過頸管對液體的輻射傳熱等,準確計算其傳熱是很復(fù)雜的。為了減少頸管部分的傳熱量,除采用低導(dǎo)熱系數(shù)材料,減薄管壁,增加管長等措施外,增加頸管內(nèi)壁粗糙度和進行涂黑處理,以及對頸管外壁進行拋光,均可以減少其傳熱量。

7　真空腔及多層絕熱材料

在低溫閥設(shè)計中,為了降低閥門夾層中氣體的對流傳熱,閥門的夾層要抽成真空,真空度一般達到10-3Pa以上。而為了獲得和保持這樣的真空度,在真空度達到要求后常用吸氣劑來保持。通常用于低溫裝置的吸氣劑有活性炭(液氧閥門中除外)和分子篩。

為了降低輻射傳熱,要在真空中安裝防輻射屏。高真空多層絕熱材料由高反射性、低輻射率的屏材料和導(dǎo)熱系數(shù)低的間隔材料組成,常用的有:鋁箔、噴鋁滌綸薄膜、鋁箔紙、玻璃纖維布(紙)、尼龍網(wǎng)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、溫度、機械負荷及雜質(zhì)等。

8　閥門零部件的深冷處理

低溫閥門中一般采用不銹鋼材料作殼體,而奧氏體不銹鋼在低溫狀態(tài)下存在奧氏體組織向馬氏體組織轉(zhuǎn)化的傾向。當奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化時就會造成體積的變化,從而使得閥門密封面可能失去密封性能而失效。為了降低這種轉(zhuǎn)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,并重復(fù)2~3次就能滿足使用要求。

9　閥門的試驗

為了保證低溫閥安全可靠地運行,低溫截止閥在組裝畢后應(yīng)進行壓力和密封試驗,以檢驗包括閥體與閥聯(lián)結(jié)處在內(nèi)的整個閥門的耐壓及密封性能。

殼體進行強度試驗時,其試驗過程和程序應(yīng)符國家相關(guān)標準。由于低溫閥多采用不銹鋼,水壓試用水的氯化物含量不應(yīng)超過25 mg/L。閥門組裝前水壓試驗結(jié)束后,應(yīng)對每個零部件*洗凈并清除漬,其中油污含量應(yīng)符合JB/T 6896-93《空氣分離備表面清潔度》的要求。試驗壓力為設(shè)計壓力的1.5倍,合格標準為:在增壓過程中無異常響聲,無泄漏宏觀上不允許有可見的異常變形。

壓力試驗合格后進行密封試驗,試驗壓力為設(shè)壓力。試驗前對閥體,閥蓋的連接以及填料函、閥密封面等處進行檢查。為了檢查低溫閥門在使用溫度下密封及操作性能,常溫密封試驗合格后要進行低溫檢驗,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。當閥門生產(chǎn)企業(yè)不具備低溫試驗?zāi)芰r也可在常溫密封試驗合格后在使用單位做。試驗一采取浸泡方式,即把整個低溫閥門浸入液氮進行冷卻,液體的水平面至少掩蓋住閥體與閥蓋的連接部位,在閥門溫度穩(wěn)定后向閥門通入氦氣檢查其密封性能。

10　安裝調(diào)試

低溫截止閥門的各種試驗合格后運輸?shù)浆F(xiàn)場,由使用單負責安裝并進行整個低溫系統(tǒng)的檢驗以及試運行。