低溫截止閥門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),絕熱形式選擇,材料選用

Design of cryogenic globe valve

Abstract: The cryogenic gate valve equipment plays an important role in the testing system of the new type  of the rocketengine. A series of technology problems, such as struction of valve, choice of insulation form, choice of materia,l sealing, leakage heat testing, which should be noticed in  design, are discussed and analyzed. Allof thesewillbe helpful for the new valve designers.
Key words: globe valve; low temperature; leakage hea;t sealing

1　引言

隨著新型氫氧研制的深入,對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氫氧溫區(qū)用的低溫閥門(mén)也提出了更多要求,尤其是對(duì)閥門(mén)口徑的要求越來(lái)越大,其中液氫溫區(qū)用的低溫截止閥已達(dá)到DN250,液氧溫區(qū)已達(dá)DN200 (以上口徑是針對(duì)截止閥,球閥口徑已達(dá)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(mén)主要有截止閥和球閥。以下針對(duì)高真空多層低溫截止閥設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題進(jìn)行討論與分析。

2　低溫閥門(mén)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(mén)。低溫閥除了應(yīng)滿足一般閥門(mén)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(dòng)作靈活,漏熱低等特點(diǎn),而其關(guān)鍵技術(shù)對(duì)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(mén)對(duì)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(shí)要保證其常溫的工作機(jī)械性能,也要滿足低溫下所需的機(jī)械性能,尤其是沖擊功和相對(duì)延伸率的要求。針對(duì)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?yàn)榻?jīng)過(guò)對(duì)低應(yīng)力脆性斷裂特點(diǎn)研究,對(duì)金屬斷裂機(jī)理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),金屬的低溫韌性即缺口尖端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(shí)驗(yàn)表明,具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類(lèi)鋼基本上沒(méi)有這種溫度效應(yīng),即沒(méi)有低應(yīng)力脆斷。這是因?yàn)楫?dāng)溫度降低時(shí),面心立方金屬的屈服強(qiáng)度沒(méi)有顯著變化,而且不易產(chǎn)生形變孿晶,位錯(cuò)容易運(yùn)動(dòng),局部應(yīng)力易于松弛,裂紋不易傳播,一般沒(méi)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?yàn)樗鼈兙芘c氧發(fā)生燃燒爆炸。

3. 3　具有相對(duì)低的導(dǎo)熱性,即熱導(dǎo)率相對(duì)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(huì)給設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)極大危害。所以低溫截止閥對(duì)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(duì)低的材料,以降低低溫介質(zhì)的蒸發(fā)量。

3. 4　在低溫?zé)o油潤(rùn)滑的情況下,具有必需的硬度和耐磨性

閥門(mén)依靠閥桿的運(yùn)動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉,閥桿傳遞的作用力又使密封面達(dá)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?yàn)橛捕炔粔?會(huì)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(qiáng)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(qiáng)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(diǎn),使低溫閥門(mén)的密封設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中占有相當(dāng)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(mén),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(mén),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(jiǎn)單、維修更換方便在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)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(mén)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(rèn)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(guò)填料就會(huì)造成泄漏并使填料函冷凍結(jié)霜,又會(huì)造成填料的進(jìn)一步泄漏失效。在航天領(lǐng)域應(yīng)用的很多低溫閥門(mén)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(zhǎng)閥桿長(zhǎng)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(chǎng)合。在波紋管的設(shè)計(jì)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(shí)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(mén)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(jì)算壓力時(shí),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(mén)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(jiǎn)單應(yīng)用較為廣泛,尤其適合應(yīng)用在大口徑閥門(mén)中但由于其平面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(mén)中用較為廣泛,有好的應(yīng)用實(shí)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(mén)中很少用,不僅因?yàn)槠浼庸ぶ圃炖щy,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(duì)于制作密封面(閥頭-閥座)的材料,不僅要求其有一定的機(jī)械強(qiáng)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?yàn)槠溆捕忍?通常均采用不銹鋼、銅合金、聚四氟乙烯、增強(qiáng)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(méi)有成熟的使用數(shù)據(jù))。隨著發(fā)展,開(kāi)始嘗試使用增強(qiáng)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(cuò)。對(duì)以上閥頭-閥座的配對(duì)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(jì)

低溫閥門(mén)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(jī)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(yán)重影響整個(gè)閥門(mén)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(rùn)滑劑。低溫閥門(mén)在常溫狀態(tài)工作時(shí),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(cuò)開(kāi)。

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

6　閥門(mén)的漏熱

在低溫閥門(mén)中,由于介質(zhì)成本較高,閥門(mén)漏熱是關(guān)鍵問(wèn)題。通過(guò)閥門(mén)的漏熱主要有2部分:通過(guò)閥門(mén)殼體的漏熱和機(jī)械構(gòu)件的漏熱。

6. 1　通過(guò)閥門(mén)殼體的漏熱

為了降低通過(guò)閥門(mén)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(chǎng)合(因?yàn)橥舛逊e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(mén)中。在真空型的絕熱體中,熱量通過(guò)絕熱體是以輻射、固體傳導(dǎo)和氣體傳導(dǎo)等幾種方式進(jìn)行傳遞的。要準(zhǔn)確地計(jì)算這部分熱量很困難,工程上用總的表觀導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)處理。

6. 2　機(jī)械構(gòu)件漏熱

機(jī)械構(gòu)件漏熱分為兩種情況:沒(méi)有冷氣冷卻的構(gòu)件和有冷氣冷卻的構(gòu)件。 在設(shè)計(jì)中為了降低這類(lèi)構(gòu)件的漏熱在滿足構(gòu)件強(qiáng)度和剛度要求的同時(shí)可以采取加長(zhǎng)構(gòu)件長(zhǎng)度、減小構(gòu)件截面積的方法來(lái)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(lái)增大觸熱阻(同時(shí)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(guò)采用導(dǎo)系數(shù)較小的材料來(lái)降低漏熱量,該方法通常用于降閥門(mén)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(guò)頸管對(duì)液體的輻射傳熱等,準(zhǔn)確計(jì)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(zhǎng)等措施外,增加頸管內(nèi)壁粗糙度和進(jìn)行涂黑處理,以及對(duì)頸管外壁進(jìn)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(jì)中,為了降低閥門(mén)夾層中氣體的對(duì)流傳熱,閥門(mén)的夾層要抽成真空,真空度一般達(dá)到10^-3Pa以上。而為了獲得和保持這樣的真空度,在真空度達(dá)到要求后常用吸氣劑來(lái)保持。通常用于低溫裝置的吸氣劑有活性炭(液氧閥門(mén)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(jī)械負(fù)荷及雜質(zhì)等。

8　閥門(mén)零部件的深冷處理

低溫閥門(mén)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(dāng)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化時(shí)就會(huì)造成體積的變化,從而使得閥門(mén)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(jìn)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(mén)的試驗(yàn)

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

殼體進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),其試驗(yàn)過(guò)程和程序應(yīng)符國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。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(guò)25 mg/L。閥門(mén)組裝前水壓試驗(yàn)結(jié)束后,應(yīng)對(duì)每個(gè)零部件徹底洗凈并清除漬,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(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍,合格標(biāo)準(zhǔn)為:在增壓過(guò)程中無(wú)異常響聲,無(wú)泄漏宏觀上不允許有可見(jiàn)的異常變形。

壓力試驗(yàn)合格后進(jìn)行密封試驗(yàn),試驗(yàn)壓力為設(shè)壓力。試驗(yàn)前對(duì)閥體,閥蓋的連接以及填料函、閥密封面等處進(jìn)行檢查。為了檢查低溫閥門(mén)在使用溫度下密封及操作性能,常溫密封試驗(yàn)合格后要進(jìn)行低溫檢驗(yàn),為保證安全性,降低試驗(yàn)成本,低溫閥門(mén)試驗(yàn)一般用液氮試驗(yàn)。當(dāng)閥門(mén)生產(chǎn)企業(yè)不具備低溫試驗(yàn)?zāi)芰r(shí)也可在常溫密封試驗(yàn)合格后在使用單位做。試驗(yàn)一采取浸泡方式,即把整個(gè)低溫閥門(mén)浸入液氮進(jìn)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(mén)溫度穩(wěn)定后向閥門(mén)通入氦氣檢查其密封性能。

10　安裝調(diào)試

低溫截止閥門(mén)的各種試驗(yàn)合格后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng),由使用單負(fù)責(zé)安裝并進(jìn)行整個(gè)低溫系統(tǒng)的檢驗(yàn)以及試運(yùn)行。