低温截止阀设计

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

尤其是冲击功A

K V 和相对延伸率δ

5

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,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。

75低　温　工　程2005年

对于制作密封面(阀头-阀座)的材料,不仅要

求其有一定的机械强度,更重要的是要保证较高的表

面硬度。密封面的材料一般不采用铝和铝合金,因为

其硬度太差,通常均采用不锈钢、铜合金、聚四氟乙

烯、增强聚四氟乙烯、聚酰亚胺等材料(聚碳酸脂也

可用做密封面材料,但没有成熟的使用数据)。随着

发展,开始尝试使用增强聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯

应用于阀门的密封面,且效果也不错。对以上阀头-

阀座的配对材料中,为了保证密封性能,一定要注意

表面粗糙度的选择。

5　摩擦副的设计

低温阀门经常使用的壳体和阀杆材料主要是

0Cr18N i9不锈钢材料。不锈钢材料在低温下的总体机

械性能得到了提高,只是δ

5、A

K V

值有所降低,且在常

温状态下摩擦部分极易出现咬死现象。低温阀中摩擦副将严重影响整个阀门工作的可靠性,且为了防止污染低温介质,不允许使用防止零件磨损和咬死的润滑剂。低温阀门在常温状态工作时,为确保不出现咬死现象,应选用不同材料或把摩擦副材料的硬度错开。在实际设计中,通常采用0Cr18N i92黄铜,但0Cr18N i922Cr13摩擦副最好不要相配合[4]。

6　阀门的漏热

在低温阀门中,由于介质成本较高,阀门漏热是关键问题。通过阀门的漏热主要有2部分:通过阀门壳体的漏热和机械构件的漏热。

6.1　通过阀门壳体的漏热

为了降低通过阀门壳体的漏热,一般采用外堆积绝热和真空(多层)绝热方式。外堆积绝热一般应用在小口径或很少维修的场合(因为外堆积绝热的维修成本高),真空多层一般应用在大口径和液氢、液氦的阀门中。在真空型的绝热体中,热量通过绝热体是以辐射、固体传导和气体传导等几种方式进行传递的。要精确地计算这部分热量很困难,工程上用总的表观导热系数来处理[5],即:

Q=K(T,X)

l

F mΔT

　　式中:K为绝热体材料总的表观导热系数,W/ (m・K);F

m

为计算传热面积,m2;ΔT为温度差, K。

6.2　机械构件漏热

机械构件漏热分为2种情况:没有冷气冷却的构件和有冷气冷却的构件[5]。

没有冷气冷却的构件漏热可以由下式确定

Q=

A

L

[∫

T2

4K

λ(T)d T-∫

T1

4K

λ(T)d T][5]

　　式中A为截面积,c m2;L为构件长度,c m;λ

(T)为构件材料的导热系数,W/(c m・K);T

1

,T2分别为冷、热端温度,K。

由上式知,在设计中为了降低这类构件的漏热,在满足构件强度和刚度要求的同时可以采取加长构件长度、减小构件截面积的方法来降低漏热量;或者在允许的前提下将构件分段,一端以球头接触来增大接触热阻(同时段与段之间也可以加放隔热垫),该方法通常用于降低阀杆漏热;另外还可以通过采用导热系数较小的材料来降低漏热量,该方法通常用于降低阀门支撑件的漏热,支撑件材料一般采用导热系数仅为0125W/(m・K)～0.45W/(m・K)[1]的玻璃钢。支撑形式在工程上常有三角形、正方形、球环形等结构形式(见图1,图2,图3)[5]。

有冷气冷却的构件,其颈管的传热情况比较复杂,包括冷、热两端之间的热传导,冷蒸气与颈内壁的对流传热,

颈管外壁与绝热层之间的传热以及通过颈管

图1　液化气体管道中的三角形支撑

F i g.1　Tr i a ngle support of li qu i f i ed ga s

tube

图2　液化气体管道中的正方形支撑

F i g.2　Square support of li qu i f i ed ga s tube

85第6期低温截止阀设计

图3　液化气体管道中的球环形支撑

F i g.3　Ba ll2r i n g support of li qu i f i ed ga s tube

口对液体的辐射传热等[5],精确计算其传热是很复杂的。为了减少颈管部分的传热量,除采用低导热系数材料,减薄管壁,增加管长等措施外,增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,均可以减少其传热量。

7　真空腔及多层绝热材料

在低温阀设计中,为了降低阀门夹层中气体的对流传热,阀门的夹层要抽成真空,真空度一般达到10-3Pa以上。而为了获得和保持这样的真空度,在真空度达到要求后常用吸气剂来保持。通常用于低温装置的吸气剂有活性炭(液氧阀门中除外)和分子筛。为了降低辐射传热,要在真空中安装防辐射屏。高真空多层绝热材料由高反射性、低辐射率的屏材料和导热系数低的间隔材料组成,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。影响多层绝热的因素有:材料及其组合方式、真空度、层密度、总厚度、温度、机械负荷及杂质等[5]。

8　阀门零部件的深冷处理

低温阀门中一般采用不锈钢材料作壳体,而奥氏体不锈钢在低温状态下存在奥氏体组织向马氏体组织转化的倾向[6]。当奥氏体向马氏体转化时就会造成体积的变化,从而使得阀门密封面可能失去密封性能而失效。为了降低这种转化量,零部件在精加工前要进行深冷处理,通常采用的方法是在液氮中浸泡1h～2 h,并重复2～3次就能满足使用要求。9　阀门的试验

为了保证低温阀安全可靠地运行,阀门在组装完毕后应进行压力和密封试验,以检验包括阀体与阀盖联结处在内的整个阀门的耐压及密封性能。

壳体进行强度试验时,其试验过程和程序应符合国家相关标准。由于低温阀多采用不锈钢,水压试验用水的氯化物含量不应超过25mg/L。阀门组装前及水压试验结束后,应对每个零部件彻底洗净并清除油渍,其中油污含量应符合JB/T66293《空气分离设备表面清洁度》的要求。试验压力为设计压力的1.5倍,合格标准为:在增压过程中无异常响声,无泄漏,宏观上不允许有可见的异常变形。

压力试验合格后进行密封试验,试验压力为设计压力。试验前对阀体,阀盖的连接以及填料函、阀座密封面等处进行检查。为了检查阀门在使用温度下的密封及操作性能,常温密封试验合格后要进行低温试验,为保证安全性,降低试验成本,低温试验一般采用液氮试验。当阀门制造单位不具备低温试验能力时,也可在常温密封试验合格后在使用单位做。试验一般采取浸泡方式,即把整个阀门浸入液氮进行冷却,液体的水平面至少掩盖住阀体与阀盖的连接部位,在阀门温度稳定后向阀门通入氦气检查其密封性能。

10　安装调试

阀门的各种试验合格后运输到现场,由使用单位负责安装并进行整个系统的检验以及试运行。

参考文献

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2　郑津洋,陈志平.特殊压力容器(第1版).北京:化学工业出版社,1997:86～87

3　杨源泉.阀门设计手册(第1版)北京:机械工业出版社,1992

4　李珍.液氢活门(截止阀)设计中的几个问题.低温工程,1979

(2):10

5　徐烈.低温容器-设计、制造与使用(第1版).北京:机械工业出版社,1987

6　汪谦信.结合SF7214谈超低温球阀.低温工程,1979(2):39

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