1 导言
跟着新式氢氧研发的深化,关于火箭发动机氢氧温区用的低温阀门也提出了更多请求,特别是对阀门口径的请求越来越大,其间液氢温区用的阻火呼吸阀已到达DN250,液氧温区已达DN200 (以上口径是关于截止阀,球阀口径已到达DN300)。在航天范畴作为流体运送及堵截用处而广泛运用的阀门首要有截止阀和球阀。以下关于高真空多层阻火呼吸阀规划时应思考的疑问进行评论与剖析。
2 低温阀门的界说及构造
低温阀是一种在温度等于或低于120 K的介质中作业的阀门。低温阀除了应满意通常阀门所具有功能以外,更首要的是在低温状况下确保密封面的封功能,动作灵敏,漏热低一级特色,而其要害技术对漏热的请求。因而依据绝热办法的不一样,其构造要有堆积绝热式、高真空绝热、真空粉末绝热和高空多层绝热等多种办法。
3 阻火呼吸阀的资料
因为低温阀作业介质的低温性质,使低温阀门对资料有许多特殊请求。
3. 1 资料耐低温功能
低温阀不只请求在低温下确保正常作业,一起要确保其常温的作业机械功能,也要满意低温下所需的机械功能,特别是冲击功和相对延伸率的请求。关于以上请求,为了避免资料在低温下的低应力脆断,通常多选用奥氏体安排的资料,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开裂特色研讨,对金属开裂机理进行剖析发现,金属的低温耐性即缺口顶级处的金属微观塑性变形才能是决议设备反抗应力脆断损坏的要害。实验标明,具有面心立方构造的金属,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。这是因为当温度下降时,面心立方金属的屈从强度没有明显改变,并且不易发作形变孪晶,位错简略运动,有些应力易于松懈,裂纹不易传达,通常没有脆性改变温度。
3. 2 与低温介质的相容性
资料与低温介质的相容性即是请求资料自身不能与低温介质发作任何物理化学改变,不能致使腐蚀及爆破。如在氧介质中作业的资料,不答应运用玻璃钢作为绝热资料,也不答应运用活性碳作为吸气剂,因为它们均能与氧发作焚烧爆破。
3. 3 具有相对低的导热性,即热导率相对低
阻火呼吸阀运送的介质温度低,介质本钱高,并且介质的俄然汽化也会给设备的安全运转带来极大损害。所以阻火呼吸阀对漏热的请求较高。为了下降传热,在合理挑选绝热的前提下,应尽量选用热导率相对低的资料,以下下降温介质的蒸发量。
3. 4 在低温无油光滑的状况下,具有必需的硬度和耐磨性
阀门依托阀杆的运动敞开和封闭,阀杆传递的作用力又使密封面到达必定的密封力。这就请求制造截止阀零部件的资料必须有必定的硬度和耐摩性。铝和铝合金在阻火呼吸阀中的运用有必定的约束,首要是因为硬度不行,会致使密封外表比钢和黄铜失效得更快[1]。 现在运用较多的金属资料有:不锈钢、铜合金、铝合金、镍合金等;非金属资料有: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,其间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资料,石棉绳、橡胶、填料等多作为阀杆密封资料。
4 阻火呼吸阀的密封
低温介质的本钱以及损害性等特色,使低温阀门的密封规划在全部规划进程中占有适当主要的方位请求在必定作业条件下不能走漏,阻火呼吸阀的密封要包含阀杆密封和密封面密封。
4. 1 阀杆密封
现在阻火呼吸阀的阀杆密封有填料函和波纹管两种其间在成批出产的空气别离设备上的阀门,其阀杆多选用填料函密封构造。在有毒易燃易爆气体介质中作业的阀门,阀杆能够选用波管密封,但在大于等于80MPa的高压气体中,由波纹管不能接受如此高的外压,只能选用填料函密封填料函密封因为制造加工简略、修理替换方便在实践出产中运用适当遍及。可是为确保填料的密功能,其作业温度通常不能低于-40℃,这就请求低温阀门上作业的填料函设备应尽量在挨近环境温下作业。通常状况下,填料不结霜即以为其处于正的作业状况,但假如因为填料自身或作业寿数的原使填料不密封,则低温气体经过填料就会形成走漏并使填料函冷冻结霜,又会形成填料的进一步走漏失效。在航天范畴运用的许多低温阀门系列中,因为成要素大多选用了填料函密封构造,而为了确保阀杆填料函的温度,均选用了加长阀杆长度的办法,所形成这些低温阀的尺度均比较大。
波纹管密封截止阀多用于介质不答应微量走漏和不适填料的场合。在波纹管的规划中,其寿数是要害,波纹管的寿数与其行程巨细和初始设备状况有关。确保波纹管截止阀的运用寿数,在行程必定的状况下,设备波纹时要确保其不接受附加外力的作用;在作业状况下因为波纹管接受的是外压,其作业状况较好,但由低温阀门的迅速封闭或管道中也许存在的气穴都也许引水击。因而在波纹管接受的核算压力时,要加上定的安全系数,并尽也许使波纹管避免直接接受水击。
4. 2 密封面密封
低温阀门密封面的构造大体上分为平面、锥面球面、刀形等密封办法。其间平面密封因为加工造简略运用较为广泛,特别合适运用在大口径阀门中但因为其平面构造的特色使其密封力比较大,需求操作力也较大。锥面和球面密封副在小口径阀门顶用较为广泛,有好的运用实例。因为是锥面办法,所需密封力和操作力比较小,但在大口径阀门中很少用,不只因为其加工制造艰难,并且在低温状况下由资料缩短、资料金相安排改变和加工误差等多种要素作用,使密封面在低温下简略失掉密封功能而形成阀走漏。
关于制造密封面(阀头-阀座)的资料,不只请求其有必定的机械强度,更主要的是要确保较高的外表硬度。密封面的资料通常不选用铝和铝合金,因为其硬度太差,通常均选用不锈钢、铜合金、聚四氟乙烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺等资料(聚碳酸脂也可用做密封面资料,但没有老练的运用数据)。跟着开展,开端测验运用增强聚四氟乙烯替代聚四氟乙烯运用于阻火呼吸阀的密封面,且作用也不错。对以上阀头-阀座的配对资猜中,为了确保密封功能,必定要注意外表粗糙度的挑选。
5 冲突副的规划
低温阀门常常运用的壳体和阀杆资料首要是0Cr18Ni9不锈钢资料。不锈钢资料在低温下的整体机械功能得到了进步,仅仅δ5、AKV值有所下降,且在常温状况下冲突有些很容易呈现咬死景象。低温阀中冲突副将严重影响全部阀门作业的可靠性,且为了避免污染低温介质,不答应运用避免零件磨损和咬死的光滑剂。低温阀门在常温状况作业时,为确保不呈现咬死景象,应选用不一样资料或把冲突副资料的硬度错开。
在实践规划中,通常选用0Cr18Ni9-黄铜,但0Cr18Ni9-2Cr13冲突副较好不要相配合。
6 阀门的漏热
在低温阀门中,因为介质本钱较高,阀门漏热是要害疑问。经过阀门的漏热首要有2有些:经过阀门壳体的漏热和机械构件的漏热。
6. 1 经过阀门壳体的漏热
为了下降经过阀门壳体的漏热,通常选用外堆积绝热和真空(多层)绝热办法。外堆积绝热通常运用在小口径或很少修理的场合(因为外堆积绝热的修理本钱高),真空多层通常运用在大口径和液氢、液氦的阻火呼吸阀门中。在真空型的绝热体中,热量经过绝热体是以辐射、固体传导和气体传导等几种办法进行传递的。要精确地核算这有些热量很艰难,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状况:没有凉气冷却的构件和有凉气冷却的构件。 在规划中为了下降这类构件的漏热在满意构件强度和刚度请求的一起能够采纳加长构件长度、减小构件截面积的办法来下降漏热量;或许答应的前提下将构件分段,一端以球头触摸来增大触热阻(一起段与段之间也能够加放隔热垫),该法通常用于下降阀杆漏热;别的还能够经过选用导系数较小的资料来下降漏热量,该办法通常用于降阀门支持件的漏热,支持件资料通常选用导热系数为0?25W / (m?K) ~0. 45 W / (m?K)的玻钢。支持办法在工程上常有三角形、正方形、球环等构造办法。有凉气冷却的构件,其颈管的传热状况比较杂乱包含冷、热两头之间的热传导,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经过颈管对液体的辐射传热等,精确核算其传热是很杂乱的。为了削减颈管有些的传热量,除选用低导热系数资料,减薄管壁,添加管长等办法外,添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,均能够削减其传热量。
7 真空腔及多层绝热资料
在低温阀规划中,为了下降阀门夹层中气体的对流传热,阀门的夹层要抽成真空,真空度通常到达10-3Pa以上。而为了取得和坚持这么的真空度,在真空度到达请求后常用吸气剂来坚持。通常用于低温设备的吸气剂有活性炭(液氧阀门中在外)和分子筛。
为了下降辐射传热,要在真空中设备防辐射屏。高真空多层绝热资料由高反射性、低辐射率的屏资料和导热系数低的距离资料构成,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。影响多层绝热的要素有:资料及其组合办法、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
低温阀门中通常选用不锈钢资料作壳体,而奥氏体不锈钢在低温状况下存在奥氏体安排向马氏体安排转化的倾向。当奥氏体向马氏体转化时就会形成体积的改变,然后使得阀门密封面也许失掉密封功能而失效。为了下降这种转化量,零部件在精加工前要进行深冷处理,通常选用的办法是在液氮中浸泡1 h~2h,并重复2~3次就能满意运用请求。
9 阀门的实验
为了确保低温阀安全可靠地运转,阻火呼吸阀在拼装毕后应进行压力和密封实验,以查验包含阀体与阀联合处在内的全部阀门的耐压及密封功能。
壳体进行强度实验时,其实验进程和程序应符国家有关规范。因为低温阀多选用不锈钢,水压试用水的氯化物含量不该超越25 mg/L。阀门拼装前水压实验完毕后,应对每个零部件完全洗净并铲除渍,其间油污含量应契合JB/T 6896-93《空气别离备外表清洁度》的请求。实验压力为规划压力的1.5倍,合格规范为:在增压进程中无反常响声,无走漏微观上不答应有可见的反常变形。
压力实验合格后进行密封实验,实验压力为设压力。实验前对阀体,阀盖的衔接以及填料函、阀密封面等处进行查看。为了查看低温阀门在运用温度下密封及操作功能,常温密封实验合格后要进行低温查验,为确保安全性,下降实验本钱,低温阀门实验通常用液氮实验。当阀门出产公司不具有低温实验才能时也可在常温密封实验合格后在运用单位做。实验一采纳浸泡办法,即把全部低温阀门浸入液氮进行冷却,液体的水平面少掩盖住阀体与阀盖的衔接部位,在阀门温度安稳后向阀门通入氦气查看其密封功能。
10 设备调试
阻火呼吸阀门的各种实验合格后运输到现场,由运用单担任设备并进行全部低温体系的查验以及试运转。
