低温截止阀设计

2005年第6期　总第148期

低　温　工　程

CRY OGE N I CS

No 16　2005

Sum No 1148

低温截止阀设计

路兰卿

(北京航天试验技术研究所　北京　100074)

摘　要:针对低温(液氢、液氧)截止阀设计时应该注意的阀门结构,绝热形式的选择,材料选

用,密封,漏热,试验等一系列技术问题进行了说明,为初学阀门设计者提供一些参考。

关键词:截止阀　低温　漏热　密封中图分类号:T B657.9,V553.21 文献标识码:A 文章编号:100026516(2005)0620056204

D esi gn of cryogen i c globe va lve

Lu Lanqing

(Beijing I nstitute of Aer os pace Testing Technol ogy,Beijing 100074,China )

Abstract :The cryogenic equi pment p lays an i m portant r ole in the testing syste m of the ne w type of the r ocket engine .A series of technol ogy p r oble m s,such as structi on of valve,choice of insulati on f or m ,choice of material,sealing,leakage heat,testing,which should be noticed in design,are discussed and analyzed .A ll of these will be hel pful f or the ne w valve designers .

Key words :gl obe valve;l ow te mperature;leakage heat;sealing

收稿日期:2005207206;修订日期:2005210212

作者简介:路兰卿,女,32岁,工程师。

1　引　言

随着新型氢氧火箭发动机研制的深入,对于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120K 的介质中

工作的阀门

[1]

。低温阀除了应满足一般阀门所具备的

性能之外,更主要的是在低温状态下保证密封面的密

封性能,动作灵活,漏热低等特点,而其关键技术是对漏热的要求。因此根据绝热方式的不同,其结构主要有堆积绝热式、高真空绝热、真空粉末绝热和高真空多层绝热等多种形式。3　低温阀的材料

由于低温阀工作介质的低温性质,使阀门对材料有许多特殊要求。3.1　材料能耐低温低温阀不仅要求在低温下保证正常工作,同时也要保证其常温的工作性能,所以其使用的材料不仅要

第6期低温截止阀设计满足常温机械性能,也要满足低温下所需的机械性能,

尤其是冲击功A

K V 和相对延伸率δ

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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、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[2]。

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[1]。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λ相对低

低温阀门输送的介质温度低,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。所以低温阀门对漏热的要求较高。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。这就要求制作阀门零部件的材料必须有一定的硬度和耐摩性。铝和铝合金在低温阀门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]。

综合考虑以上各项要求,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,低温阀门的密封主要包括阀杆密封和密封面密封。

4.1　阀杆密封

目前低温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(堆积绝热形式),其阀杆多采用填料函密封结构[1]。在有毒或易燃易爆气体介质中工作的阀门,阀杆可以采用波纹管密封,但在高压(大于等于80MPa)气体中,由于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封性能,其工作温度一般不能低于-40℃,这就要求在低温阀门上工作的填料函装置应尽量在接近环境温度下工作。通常情况下,填料不结霜即认为其处于正常的工作状态,但如果由于填料本身或工作寿命的原因使填料不密封,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而失效。在航天领域应用的很多低温阀门中,由于成本原因大多采用了填料函密封结构,而为了确保阀杆处填料函的温度,均采用了加长阀杆长度的方法,所以造成这些阀门的尺寸均比较大。

波纹管密封多用于介质不允许微量泄漏和不适宜填料的场合。在波纹管的设计中,其寿命是关键,而波纹管的寿命与其行程大小和初始安装状态有关。为保证其使用寿命,在行程一定的情况下,安装波纹管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,但由于阀门的快速关闭或管道中可能存在的气穴都可能引起水击[1]。因此在计算波纹管承受的压力时,要加上一定的安全系数,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[3]等密封形式。其中平面密封由于加工制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,需要的操作力也较大。锥面和球面密封副在小口径阀门中应用较为广泛,有很好的应用实例。由于是锥面形式,其所需密封力和操作力比较小,但在大口径阀门中很少采用,不仅因为其加工制造困难,而且在低温状态下由于材料收缩、材料金相组织变化和加工误差等多种因素的作用,使密封面在低温下容易失去密封性能而造成阀门泄漏。

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