低溫截止閥結構設計(jì),絕熱(rè),材料選用

低溫截止閥除了應滿足一般閥門(mén)所具備性能之外,更主要的是在低溫狀态下保證密封面的封性能,動作(zuò)靈活,漏熱(rè)低等特點，要滿足低溫下所需的機(jī)械性能、耐低溫性能,尤其是沖擊功和相(xiàng)對延伸率的要求，與低溫介質的相(xiàng)容性，具有相(xiàng)對低的導熱(rè)性,即熱(rè)導率相(xiàng)對低，在低溫無油潤滑的情況下具有必需的硬度和耐磨性。

低溫截止閥門(mén)的結構設計(jì),絕熱(rè)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

随着新型氫氧研制的深入,對于火(huǒ)箭發動機(jī)氫氧溫區用的低溫閥門(mén)也提出了更多要求,尤其是對閥門(mén)口徑的要求越來(lái)越大(dà),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(zuò)爲流體(tǐ)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。以下針對高真空多層低溫截止閥設計(jì)時應考慮的問(wèn)題進行討(tǎo)論與分(fēn)析。

2　低溫閥門(mén)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(gōng)作(zuò)的閥門(mén)。低溫閥除了應滿足一般閥門(mén)所具備性能之外,更主要的是在低溫狀态下保證密封面的封性能,動作(zuò)靈活,漏熱(rè)低等特點,而其關鍵技術(shù)對漏熱(rè)的要求。因此根據絕熱(rè)方式的不同,其結構要有堆積絕熱(rè)式、高真空絕熱(rè)、真空粉末絕熱(rè)和高空多層絕熱(rè)等多種形式。

3　低溫截止閥的材料

由于低溫閥工(gōng)作(zuò)介質的低溫性質,使低溫閥門(mén)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(gōng)作(zuò),同時要保證其常溫的工(gōng)作(zuò)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(xiàng)對延伸率的要求。針對以上要求,爲了防止材料在低溫下的低應力脆斷,一般多采用奧氏體(tǐ)組織的材料,如(rú):奧氏體(tǐ)不鏽鋼鑄件(jiàn)、銅、銅合金、鋁及鋁合金等。這是因爲經過對低應力脆性斷裂特點研究,對金屬斷裂機(jī)理(lǐ)進行分(fēn)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(rú)銅、鋁、鎳和奧氏體(tǐ)類鋼基本上沒有這種溫度效應,即沒有低應力脆斷。這是因爲當溫度降低時,面心立方金屬的屈服強度沒有顯著變化,而且不易産生(shēng)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(xiàng)容性

材料與低溫介質的相(xiàng)容性就(jiù)是要求材料本身(shēn)不能與低溫介質發生(shēng)任何物理(lǐ)化學變化,不能引起腐蝕及爆炸。如(rú)在氧介質中工(gōng)作(zuò)的材料,不允許使用玻璃鋼作(zuò)爲絕熱(rè)材料,也不允許使用活性碳作(zuò)爲吸氣劑,因爲它們均能與氧發生(shēng)燃燒爆炸。

3. 3　具有相(xiàng)對低的導熱(rè)性,即熱(rè)導率相(xiàng)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(lái)極大(dà)危害。所以低溫截止閥對漏熱(rè)的要求較高。爲了降低傳熱(rè),在合理(lǐ)選擇絕熱(rè)的前提下,應盡量采用熱(rè)導率相(xiàng)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(mén)依靠閥杆的運動開啓和關閉,閥杆傳遞的作(zuò)用力又使密封面達到一定的密封力。這就(jiù)要求制作(zuò)截止閥零部件(jiàn)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,主要是因爲硬度不夠,會導緻密封表面比鋼和黃(huáng)銅失效得(de)更快(kuài)[1]。 目前使用較多的金屬材料有:不鏽鋼、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(dà)多作(zuò)爲熱(rè)橋零件(jiàn),而聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺多作(zuò)爲密封面材料,石棉繩、橡膠、填料等多作(zuò)爲閥杆密封材料。

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(mén)的密封設計(jì)在整個設計(jì)過程中占有相(xiàng)當重要的位置要求在一定工(gōng)作(zuò)條件(jiàn)下不能洩露,低溫截止閥的密封要包括閥杆密封和密封面密封。

4. 1　閥杆密封

目前低溫截止閥的閥杆密封有填料函和波紋管兩種其中在成批生(shēng)産的空氣分(fēn)離(lí)裝置上的閥門(mén),其閥杆多采用填料函密封結構。在有毒易燃易爆氣體(tǐ)介質中工(gōng)作(zuò)的閥門(mén),閥杆可(kě)以采用波管密封,但(dàn)在大(dà)于等于80MPa的高壓氣體(tǐ)中,由波紋管不能承受如(rú)此高的外壓,隻能采用填料函密封填料函密封由于制造加工(gōng)簡單、維修更換方便在實際生(shēng)産中應用相(xiàng)當普遍。但(dàn)是爲保證填料的密性能,其工(gōng)作(zuò)溫度一般不能低于-40℃,這就(jiù)要求低溫閥門(mén)上工(gōng)作(zuò)的填料函裝置應盡量在接近環境溫下工(gōng)作(zuò)。通常情況下,填料不結霜即認爲其處于正的工(gōng)作(zuò)狀态,但(dàn)如(rú)果由于填料本身(shēn)或工(gōng)作(zuò)壽命的原使填料不密封,則低溫氣體(tǐ)通過填料就(jiù)會造成洩漏并使填料函冷(lěng)凍結霜,又會造成填料的進一步洩漏失效。在航天領域應用的很多低溫閥門(mén)系列中,由于成原因大(dà)多采用了填料函密封結構,而爲了确保閥杆填料函的溫度,均采用了加長閥杆長度的方法,所造成這些低溫閥的尺寸均比較大(dà)。

波紋管密封截止閥多用于介質不允許微量洩漏和不适填料的場合。在波紋管的設計(jì)中,其壽命是關鍵,波紋管的壽命與其行程大(dà)小和初始安裝狀态有關。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(zuò)用;在工(gōng)作(zuò)狀态下由于波紋管承受的是外壓,其工(gōng)作(zuò)狀态較好,但(dàn)由低溫閥門(mén)的快(kuài)速關閉或管道中可(kě)能存在的氣穴都(dōu)可(kě)能引水擊。因此在波紋管承受的計(jì)算壓力時,要加上定的安全系數,并盡可(kě)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)密封面的結構大(dà)體(tǐ)上分(fēn)爲平面、錐面球面、刀形等密封形式。其中平面密封由于加工(gōng)造簡單應用較爲廣泛,尤其适合應用在大(dà)口徑閥門(mén)中但(dàn)由于其平面結構的特點使其密封力比較大(dà),需要操作(zuò)力也較大(dà)。錐面和球面密封副在小口徑閥門(mén)中用較爲廣泛,有好的應用實例。由于是錐面形式,所需密封力和操作(zuò)力比較小,但(dàn)在大(dà)口徑閥門(mén)中很少用,不僅因爲其加工(gōng)制造困難,而且在低溫狀态下由材料收縮、材料金相(xiàng)組織變化和加工(gōng)誤差等多種因素作(zuò)用,使密封面在低溫下容易失去(qù)密封性能而造成閥洩漏。

對于制作(zuò)密封面(閥頭-閥座)的材料,不僅要求其有一定的機(jī)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,因爲其硬度太差,通常均采用不鏽鋼、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(kě)用做密封面材料,但(dàn)沒有成熟的使用數據)。随着發展,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,爲了保證密封性能,一定要注意表面粗糙度的選擇。

5　摩擦副的設計(jì)

低溫閥門(mén)經常使用的殼體(tǐ)和閥杆材料主要是0Cr18Ni9不鏽鋼材料。不鏽鋼材料在低溫下的總體(tǐ)機(jī)械性能得(de)到了提高,隻是δ5、AKV值有所降低,且在常溫狀态下摩擦部分(fēn)極易出現咬死現象。低溫閥中摩擦副将嚴重影(yǐng)響整個閥門(mén)工(gōng)作(zuò)的可(kě)靠性,且爲了防止污染低溫介質,不允許使用防止零件(jiàn)磨損和咬死的潤滑劑。低溫閥門(mén)在常溫狀态工(gōng)作(zuò)時,爲确保不出現咬死現象,應選用不同材料或把摩擦副材料的硬度錯開。

在實際設計(jì)中,通常采用0Cr18Ni9-黃(huáng)銅,但(dàn)0Cr18Ni9-2Cr13摩擦副較好不要相(xiàng)配合。

6　閥門(mén)的漏熱(rè)

在低溫閥門(mén)中,由于介質成本較高,閥門(mén)漏熱(rè)是關鍵問(wèn)題。通過閥門(mén)的漏熱(rè)主要有2部分(fēn):通過閥門(mén)殼體(tǐ)的漏熱(rè)和機(jī)械構件(jiàn)的漏熱(rè)。

6. 1　通過閥門(mén)殼體(tǐ)的漏熱(rè)

爲了降低通過閥門(mén)殼體(tǐ)的漏熱(rè),一般采用外堆積絕熱(rè)和真空(多層)絕熱(rè)方式。外堆積絕熱(rè)一般應用在小口徑或很少維修的場合(因爲外堆積絕熱(rè)的維修成本高),真空多層一般應用在大(dà)口徑和液氫、液氦的低溫截止閥門(mén)中。在真空型的絕熱(rè)體(tǐ)中,熱(rè)量通過絕熱(rè)體(tǐ)是以輻射、固體(tǐ)傳導和氣體(tǐ)傳導等幾種方式進行傳遞的。要準确地計(jì)算這部分(fēn)熱(rè)量很困難,工(gōng)程上用總的表觀導熱(rè)系數來(lái)處理(lǐ)。

6. 2　機(jī)械構件(jiàn)漏熱(rè)

機(jī)械構件(jiàn)漏熱(rè)分(fēn)爲兩種情況:沒有冷(lěng)氣冷(lěng)卻的構件(jiàn)和有冷(lěng)氣冷(lěng)卻的構件(jiàn)。 在設計(jì)中爲了降低這類構件(jiàn)的漏熱(rè)在滿足構件(jiàn)強度和剛度要求的同時可(kě)以采取加長構件(jiàn)長度、減小構件(jiàn)截面積的方法來(lái)降低漏熱(rè)量;或者允許的前提下将構件(jiàn)分(fēn)段,一端以球頭接觸來(lái)增大(dà)觸熱(rè)阻(同時段與段之間也可(kě)以加放(fàng)隔熱(rè)墊),該法通常用于降低閥杆漏熱(rè);另外還(hái)可(kě)以通過采用導系數較小的材料來(lái)降低漏熱(rè)量,該方法通常用于降閥門(mén)支撐件(jiàn)的漏熱(rè),支撐件(jiàn)材料一般采用導熱(rè)系數爲0•25W / (m•K) ~0. 45 W / (m•K)的玻鋼。支撐形式在工(gōng)程上常有三角形、正方形、球環等結構形式。有冷(lěng)氣冷(lěng)卻的構件(jiàn),其頸管的傳熱(rè)情況比較複雜包括冷(lěng)、熱(rè)兩端之間的熱(rè)傳導,冷(lěng)蒸氣與頸内壁的流傳熱(rè),頸管外壁與絕熱(rè)層之間的傳熱(rè)以及通過頸管對液體(tǐ)的輻射傳熱(rè)等,準确計(jì)算其傳熱(rè)是很複雜的。爲了減少頸管部分(fēn)的傳熱(rè)量,除采用低導熱(rè)系數材料,減薄管壁,增加管長等措施外,增加頸管内壁粗糙度和進行塗黑(hēi)處理(lǐ),以及對頸管外壁進行抛光(guāng),均可(kě)以減少其傳熱(rè)量。

7　真空腔及多層絕熱(rè)材料

在低溫閥設計(jì)中,爲了降低閥門(mén)夾層中氣體(tǐ)的對流傳熱(rè),閥門(mén)的夾層要抽成真空,真空度一般達到10-3Pa以上。而爲了獲得(de)和保持這樣的真空度,在真空度達到要求後常用吸氣劑來(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(fēn)子篩。

爲了降低輻射傳熱(rè),要在真空中安裝防輻射屏。高真空多層絕熱(rè)材料由高反射性、低輻射率的屏材料和導熱(rè)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(yǐng)響多層絕熱(rè)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)械負荷及雜質等。

8　閥門(mén)零部件(jiàn)的深冷(lěng)處理(lǐ)

低溫閥門(mén)中一般采用不鏽鋼材料作(zuò)殼體(tǐ),而奧氏體(tǐ)不鏽鋼在低溫狀态下存在奧氏體(tǐ)組織向馬氏體(tǐ)組織轉化的傾向。當奧氏體(tǐ)向馬氏體(tǐ)轉化時就(jiù)會造成體(tǐ)積的變化,從(cóng)而使得(de)閥門(mén)密封面可(kě)能失去(qù)密封性能而失效。爲了降低這種轉化量,零部件(jiàn)在精加工(gōng)前要進行深冷(lěng)處理(lǐ),通常采用的方法是在液氮中浸泡1 h~2h,并重複2~3次就(jiù)能滿足使用要求。

9　閥門(mén)的試驗

爲了保證低溫閥安全可(kě)靠地運行,低溫截止閥在組裝畢後應進行壓力和密封試驗,以檢驗包括閥體(tǐ)與閥聯結處在内的整個閥門(mén)的耐壓及密封性能。

殼體(tǐ)進行強度試驗時,其試驗過程和程序應符國(guó)家相(xiàng)關标準。由于低溫閥多采用不鏽鋼,水壓試用水的氯化物含量不應超過25 mg/L。閥門(mén)組裝前水壓試驗結束後,應對每個零部件(jiàn)徹底洗淨并清除漬,其中油污含量應符合JB/T 6896-93《空氣分(fēn)離(lí)備表面清潔度》的要求。試驗壓力爲設計(jì)壓力的1.5倍,合格标準爲:在增壓過程中無異常響聲,無洩漏宏觀上不允許有可(kě)見(jiàn)的異常變形。

壓力試驗合格後進行密封試驗,試驗壓力爲設壓力。試驗前對閥體(tǐ),閥蓋的連接以及填料函、閥密封面等處進行檢查。爲了檢查低溫閥門(mén)在使用溫度下密封及操作(zuò)性能,常溫密封試驗合格後要進行低溫檢驗,爲保證安全性,降低試驗成本,低溫閥門(mén)試驗一般用液氮試驗。當閥門(mén)生(shēng)産企業不具備低溫試驗能力時也可(kě)在常溫密封試驗合格後在使用單位做。試驗一采取浸泡方式,即把整個低溫閥門(mén)浸入液氮進行冷(lěng)卻,液體(tǐ)的水平面至少掩蓋住閥體(tǐ)與閥蓋的連接部位,在閥門(mén)溫度穩定後向閥門(mén)通入氦氣檢查其密封性能。

10　安裝調試

低溫截止閥門(mén)的各種試驗合格後運輸到現場,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。