低温截止阀的结构设计
1 引言
随着新型氢氧研制的深入,对于火箭发动机氢氧温区用的低温阀门也提出了更多要求,尤其是对阀门口径的要求越来越大,其中液氢温区用的低温截止阀已达到DN250,液氧温区已达DN200 (以上口径是针对截止阀,球阀口径已达到DN300)。在航天领域作为流体输送及切断用途而广泛使用的阀门主要有截止阀和球阀。以下针对高真空多层低温截止阀设计时应考虑的问题进行讨论与分析。
2 低温阀门的定义及结构
低温阀是一种在温度等于或低于120 K的介质中工作的阀门。低温阀除了应满足一般阀门所具备性能之外,更主要的是在低温状态下保证密封面的封性能,动作灵活,漏热低等特点,而其关键技术对漏热的要求。因此根据绝热方式的不同,其结构要有堆积绝热式、高真空绝热、真空粉末绝热和高空多层绝热等多种形式。
3 低温截止阀的材料
由于低温阀工作介质的低温性质,使低温阀门对材料有许多特殊要求。
3. 1 材料耐低温性能
低温阀不仅要求在低温下保证正常工作,同时要保证其常温的工作机械性能,也要满足低温下所需的机械性能,尤其是冲击功和相对延伸率的要求。针对以上要求,为了防止材料在低温下的低应力脆断,一般多采用奥氏体组织的材料,如:奥氏体不锈钢铸件、铜、铜合金、铝及铝合金等。这是因为经过对低应力脆性断裂特点研究,对金属断裂机理进行分析发现,金属的低温韧性即缺口尖端处的金属微观塑性变形能力是决定设备抵抗应力脆断破坏的关键。实验表明,具有面心立方结构的金属,如铜、铝、镍和奥氏体类钢基本上没有这种温度效应,即没有低应力脆断。这是因为当温度降低时,面心立方金属的屈服强度没有显著变化,而且不易产生形变孪晶,位错容易运动,局部应力易于松弛,裂纹不易传播,一般没有脆性转变温度。
3. 2 与低温介质的相容性
材料与低温介质的相容性就是要求材料本身不能与低温介质发生任何物理化学变化,不能引起腐蚀及爆炸。如在氧介质中工作的材料,不允许使用玻璃钢作为绝热材料,也不允许使用活性碳作为吸气剂,因为它们均能与氧发生燃烧爆炸。
3. 3 具有相对低的导热性,即热导率相对低
低温截止阀输送的介质温度低,介质成本高,而且介质的突然汽化也会给设备的安全运行带来极大危害。所以低温截止阀对漏热的要求较高。为了降低传热,在合理选择绝热的前提下,应尽量采用热导率相对低的材料,以降低低温介质的蒸发量。
3. 4 在低温无油润滑的情况下,具有必需的硬度和耐磨性
阀门依靠阀杆的运动开启和关闭,阀杆传递的作用力又使密封面达到一定的密封力。这就要求制作截止阀零部件的材料必须有一定的硬度和耐摩性。铝和铝合金在低温截止阀中的使用有一定的限制,主要是因为硬度不够,会导致密封表面比钢和黄铜失效得更快[1]。 目前使用较多的金属材料有:不锈钢、铜合金、铝合金、镍合金等;非金属材料有:玻璃钢、聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺、石棉绳、橡胶等,其中玻璃钢大多作为热桥零件,而聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺多作为密封面材料,石棉绳、橡胶、填料等多作为阀杆密封材料。
4 低温截止阀的密封
低温介质的成本以及危害性等特点,使低温阀门的密封设计在整个设计过程中占有相当重要的位置要求在一定工作条件下不能泄露,低温截止阀的密封要包括阀杆密封和密封面密封。
4. 1 阀杆密封
目前低温截止阀的阀杆密封有填料函和波纹管两种其中在成批生产的空气分离装置上的阀门,其阀杆多采用填料函密封结构。在有毒易燃易爆气体介质中工作的阀门,阀杆可以采用波管密封,但在大于等于80MPa的高压气体中,由波纹管不能承受如此高的外压,只能采用填料函密封填料函密封由于制造加工简单、维修更换方便在实际生产中应用相当普遍。但是为保证填料的密性能,其工作温度一般不能低于-40℃,这就要求低温阀门上工作的填料函装置应尽量在接近环境温下工作。通常情况下,填料不结霜即认为其处于正的工作状态,但如果由于填料本身或工作寿命的原使填料不密封,则低温气体通过填料就会造成泄漏并使填料函冷冻结霜,又会造成填料的进一步泄漏失效。在航天领域应用的很多低温阀门系列中,由于成原因大多采用了填料函密封结构,而为了确保阀杆填料函的温度,均采用了加长阀杆长度的方法,所造成这些低温阀的尺寸均比较大。
波纹管密封截止阀多用于介质不允许微量泄漏和不适填料的场合。在波纹管的设计中,其寿命是关键,波纹管的寿命与其行程大小和初始安装状态有关。保证波纹管截止阀的使用寿命,在行程一定的情况下,安装波纹时要保证其不承受附加外力的作用;在工作状态下由于波纹管承受的是外压,其工作状态较好,但由低温阀门的快速关闭或管道中可能存在的气穴都可能引水击。因此在波纹管承受的计算压力时,要加上定的安全系数,并尽可能使波纹管避免直接承受水击。
4. 2 密封面密封
低温阀门密封面的结构大体上分为平面、锥面球面、刀形等密封形式。其中平面密封由于加工造简单应用较为广泛,尤其适合应用在大口径阀门中但由于其平面结构的特点使其密封力比较大,需要操作力也较大。锥面和球面密封副在小口径阀门中用较为广泛,有很好的应用实例。由于是锥面形式,所需密封力和操作力比较小,但在大口径阀门中很少用,不仅因为其加工制造困难,而且在低温状态下由材料收缩、材料金相组织变化和加工误差等多种因素作用,使密封面在低温下容易失去密封性能而造成阀泄漏。
对于制作密封面(阀头-阀座)的材料,不仅要求其有一定的机械强度,更重要的是要保证较高的表面硬度。密封面的材料一般不采用铝和铝合金,因为其硬度太差,通常均采用不锈钢、铜合金、聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺等材料(聚碳酸脂也可用做密封面材料,但没有成熟的使用数据)。随着发展,开始尝试使用增强聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯应用于低温截止阀的密封面,且效果也不错。对以上阀头-阀座的配对材料中,为了保证密封性能,一定要注意表面粗糙度的选择。
5 摩擦副的设计
低温阀门经常使用的壳体和阀杆材料主要是0Cr18Ni9不锈钢材料。不锈钢材料在低温下的总体机械性能得到了提高,只是δ5、AKV值有所降低,且在常温状态下摩擦部分极易出现咬死现象。低温阀中摩擦副将严重影响整个阀门工作的可靠性,且为了防止污染低温介质,不允许使用防止零件磨损和咬死的润滑剂。低温阀门在常温状态工作时,为确保不出现咬死现象,应选用不同材料或把摩擦副材料的硬度错开。
在实际设计中,通常采用0Cr18Ni9-黄铜,但0Cr18Ni9-2Cr13摩擦副最好不要相配合。
6 阀门的漏热
在低温阀门中,由于介质成本较高,阀门漏热是关键问题。通过阀门的漏热主要有2部分:通过阀门壳体的漏热和机械构件的漏热。
6. 1 通过阀门壳体的漏热
为了降低通过阀门壳体的漏热,一般采用外堆积绝热和真空(多层)绝热方式。外堆积绝热一般应用在小口径或很少维修的场合(因为外堆积绝热的维修成本高),真空多层一般应用在大口径和液氢、液氦的低温截止阀门中。在真空型的绝热体中,热量通过绝热体是以辐射、固体传导和气体传导等几种方式进行传递的。要精确地计算这部分热量很困难,工程上用总的表观导热系数来处理。
6. 2 机械构件漏热
机械构件漏热分为两种情况:没有冷气冷却的构件和有冷气冷却的构件。 在设计中为了降低这类构件的漏热在满足构件强度和刚度要求的同时可以采取加长构件长度、减小构件截面积的方法来降低漏热量;或者允许的前提下将构件分段,一端以球头接触来增大触热阻(同时段与段之间也可以加放隔热垫),该法通常用于降低阀杆漏热;另外还可以通过采用导系数较小的材料来降低漏热量,该方法通常用于降阀门支撑件的漏热,支撑件材料一般采用导热系数为0·25W / (m·K) ~0. 45 W / (m·K)的玻钢。支撑形式在工程上常有三角形、正方形、球环等结构形式。有冷气冷却的构件,其颈管的传热情况比较复杂包括冷、热两端之间的热传导,冷蒸气与颈内壁的流传热,颈管外壁与绝热层之间的传热以及通过颈管对液体的辐射传热等,精确计算其传热是很复杂的。为了减少颈管部分的传热量,除采用低导热系数材料,减薄管壁,增加管长等措施外,增加颈管内壁粗糙度和进行涂黑处理,以及对颈管外壁进行抛光,均可以减少其传热量。
7 真空腔及多层绝热材料
在低温阀设计中,为了降低阀门夹层中气体的对流传热,阀门的夹层要抽成真空,真空度一般达到10-3Pa以上。而为了获得和保持这样的真空度,在真空度达到要求后常用吸气剂来保持。通常用于低温装置的吸气剂有活性炭(液氧阀门中除外)和分子筛。
为了降低辐射传热,要在真空中安装防辐射屏。高真空多层绝热材料由高反射性、低辐射率的屏材料和导热系数低的间隔材料组成,常用的有:铝箔、喷铝涤纶薄膜、铝箔纸、玻璃纤维布(纸)、尼龙网及丝绸等。影响多层绝热的因素有:材料及其组合方式、真空度、层密度、总厚度、温度、机械负荷及杂质等。
8 阀门零部件的深冷处理
低温阀门中一般采用不锈钢材料作壳体,而奥氏体不锈钢在低温状态下存在奥氏体组织向马氏体组织转化的倾向。当奥氏体向马氏体转化时就会造成体积的变化,从而使得阀门密封面可能失去密封性能而失效。为了降低这种转化量,零部件在精加工前要进行深冷处理,通常采用的方法是在液氮中浸泡1 h~2h,并重复2~3次就能满足使用要求。
9 阀门的试验
为了保证低温阀安全可靠地运行,低温截止阀在组装毕后应进行压力和密封试验,以检验包括阀体与阀联结处在内的整个阀门的耐压及密封性能。
壳体进行强度试验时,其试验过程和程序应符国家相关标准。由于低温阀多采用不锈钢,水压试用水的氯化物含量不应超过25 mg/L。阀门组装前水压试验结束后,应对每个零部件彻底洗净并清除渍,其中油污含量应符合JB/T 6896-93《空气分离备表面清洁度》的要求。试验压力为设计压力的1.5倍,合格标准为:在增压过程中无异常响声,无泄漏宏观上不允许有可见的异常变形。
压力试验合格后进行密封试验,试验压力为设压力。试验前对阀体,阀盖的连接以及填料函、阀密封面等处进行检查。为了检查低温阀门在使用温度下密封及操作性能,常温密封试验合格后要进行低温检验,为保证安全性,降低试验成本,低温阀门试验一般用液氮试验。当阀门生产企业不具备低温试验能力时也可在常温密封试验合格后在使用单位做。试验一采取浸泡方式,即把整个低温阀门浸入液氮进行冷却,液体的水平面至少掩盖住阀体与阀盖的连接部位,在阀门温度稳定后向阀门通入氦气检查其密封性能。
10 安装调试
低温截止阀门的各种试验合格后运输到现场,由使用单负责安装并进行整个低温系统的检验以及试运行。
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