低溫截止閥門的結構設計,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,對于火箭發動機氫氧溫區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,其中液氫溫區用的低溫截止閥已達到DN250,液氧溫區已達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計時應考慮的問題進行討論與分析。

2　低溫閥門的定義及結構

低溫閥是一種在溫度等于或低于120 K的介質中工作的閥門。低溫閥除了應滿足一般閥門所具備性能之外,更主要的是在低溫狀態下保證密封面的封性能,動作靈活,漏熱低等特點,而其關鍵技術對漏熱的要求。因此根據絕熱方式的不同,其結構要有堆積絕熱式、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的低溫性質,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。這是因為經過對低應力脆性斷裂特點研究,對金屬斷裂機理進行分析發現,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備抵抗應力脆斷破壞的關鍵。實驗表明,具有面心立方結構的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼基本上沒有這種溫度效應,即沒有低應力脆斷。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,而且不易產生形變孿晶,位錯容易運動,局部應力易于松弛,裂紋不易傳播,一般沒有脆性轉變溫度。

3. 2　與低溫介質的相容性

材料與低溫介質的相容性就是要求材料本身不能與低溫介質發生任何物理化學變化,不能引起腐蝕及爆炸。如在氧介質中工作的材料,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生燃燒爆炸。

3. 3　具有相對低的導熱性,即熱導率相對低

低溫截止閥輸送的介質溫度低,介質成本高,而且介質的突然汽化也會給設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,應盡量采用熱導率相對低的材料,以降低低溫介質的蒸發量。

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

低溫介質的成本以及危害性等特點,使低溫閥門的密封設計在整個設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的空氣分離裝置上的閥門,其閥桿多采用填料函密封結構。在有毒易燃易爆氣體介質中工作的閥門,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中應用相當普遍。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盡量在接近環境溫下工作。通常情況下,填料不結霜即認為其處于正的工作狀態,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霜,又會造成填料的進一步泄漏失效。在航天領域應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構,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不允許微量泄漏和不適填料的場合。在波紋管的設計中,其壽命是關鍵,波紋管的壽命與其行程大小和初始安裝狀態有關。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;在工作狀態下由于波紋管承受的是外壓,其工作狀態較好,但由低溫閥門的快速關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,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構大體上分為平面、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用較為廣泛,尤其適合應用在大口徑閥門中但由于其平面結構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據)。隨著發展,開始嘗試使用增強聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯應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　摩擦副的設計

低溫閥門經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,且在常溫狀態下摩擦部分極易出現咬死現象。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,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工作時,為確保不出現咬死現象,應選用不同材料或把摩擦副材料的硬度錯開。

在實際設計中,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,由于介質成本較高,閥門漏熱是關鍵問題。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、固體傳導和氣體傳導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熱系數來處理。

6. 2　機械構件漏熱

機械構件漏熱分為兩種情況:沒有冷氣冷卻的構件和有冷氣冷卻的構件。 在設計中為了降低這類構件的漏熱在滿足構件強度和剛度要求的同時可以采取加長構件長度、減小構件截面積的方法來降低漏熱量;或者允許的前提下將構件分段,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系數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熱系數為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、球環等結構形式。有冷氣冷卻的構件,其頸管的傳熱情況比較復雜包括冷、熱兩端之間的熱傳導,冷蒸氣與頸內壁的流傳熱,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雜的。為了減少頸管部分的傳熱量,除采用低導熱系數材料,減薄管壁,增加管長等措施外,增加頸管內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熱系數低的間隔材料組成,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下存在奧氏體組織向馬氏體組織轉化的傾向。當奧氏體向馬氏體轉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進行壓力和密封試驗,以檢驗包括閥體與閥聯結處在內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符國家相關標準。由于低溫閥多采用不銹鋼,水壓試用水的氯化物含量不應超過25 mg/L。閥門組裝前水壓試驗結束后,應對每個零部件徹底洗凈并清除漬,其中油污含量應符合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。當閥門生產企業不具備低溫試驗能力時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,在閥門溫度穩定后向閥門通入氦氣檢查其密封性能。

10　安裝調試

低溫截止閥門的各種試驗合格后運輸到現場,由使用單負責安裝并進行整個低溫系統的檢驗以及試運行。