1 導(dǎo)言
跟著新式氫氧研發(fā)的深化,關(guān)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)氫氧溫區(qū)用的低溫閥門也提出了更多請(qǐng)求,特別是對(duì)閥門口徑的請(qǐng)求越來越大,其間液氫溫區(qū)用的阻火呼吸閥已到達(dá)DN250,液氧溫區(qū)已達(dá)DN200 (以上口徑是關(guān)于截止閥,球閥口徑已到達(dá)DN300)。在航天范疇作為流體運(yùn)送及堵截用處而廣泛運(yùn)用的閥門首要有截止閥和球閥。以下關(guān)于高真空多層阻火呼吸閥規(guī)劃時(shí)應(yīng)思考的疑問進(jìn)行評(píng)論與剖析。
2 低溫閥門的界說及構(gòu)造
低溫閥是一種在溫度等于或低于120 K的介質(zhì)中作業(yè)的閥門。低溫閥除了應(yīng)滿意通常閥門所具有功能以外,更首要的是在低溫狀況下確保密封面的封功能,動(dòng)作靈敏,漏熱低一級(jí)特色,而其要害技術(shù)對(duì)漏熱的請(qǐng)求。因而依據(jù)絕熱辦法的不一樣,其構(gòu)造要有堆積絕熱式、高真空絕熱、真空粉末絕熱和高空多層絕熱等多種辦法。
3 阻火呼吸閥的資料
因?yàn)榈蜏亻y作業(yè)介質(zhì)的低溫性質(zhì),使低溫閥門對(duì)資料有許多特殊請(qǐng)求。
3. 1 資料耐低溫功能
低溫閥不只請(qǐng)求在低溫下確保正常作業(yè),一起要確保其常溫的作業(yè)機(jī)械功能,也要滿意低溫下所需的機(jī)械功能,特別是沖擊功和相對(duì)延伸率的請(qǐng)求。關(guān)于以上請(qǐng)求,為了避免資料在低溫下的低應(yīng)力脆斷,通常多選用奧氏體安排的資料,如:奧氏體不銹鋼鑄件、銅、銅合金、鋁及鋁合金等。這是因?yàn)榻?jīng)過對(duì)低應(yīng)力脆性開裂特色研討,對(duì)金屬開裂機(jī)理進(jìn)行剖析發(fā)現(xiàn),金屬的低溫耐性即缺口頂級(jí)處的金屬微觀塑性變形才能是決議設(shè)備反抗應(yīng)力脆斷損壞的要害。實(shí)驗(yàn)標(biāo)明,具有面心立方構(gòu)造的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼基本上沒有這種溫度效應(yīng),即沒有低應(yīng)力脆斷。這是因?yàn)楫?dāng)溫度下降時(shí),面心立方金屬的屈從強(qiáng)度沒有明顯改變,并且不易發(fā)作形變孿晶,位錯(cuò)簡略運(yùn)動(dòng),有些應(yīng)力易于松懈,裂紋不易傳達(dá),通常沒有脆性改變溫度。
3. 2 與低溫介質(zhì)的相容性
資料與低溫介質(zhì)的相容性即是請(qǐng)求資料自身不能與低溫介質(zhì)發(fā)作任何物理化學(xué)改變,不能致使腐蝕及爆破。如在氧介質(zhì)中作業(yè)的資料,不答應(yīng)運(yùn)用玻璃鋼作為絕熱資料,也不答應(yīng)運(yùn)用活性碳作為吸氣劑,因?yàn)樗鼈兙芘c氧發(fā)作焚燒爆破。
3. 3 具有相對(duì)低的導(dǎo)熱性,即熱導(dǎo)率相對(duì)低
阻火呼吸閥運(yùn)送的介質(zhì)溫度低,介質(zhì)本錢高,并且介質(zhì)的俄然汽化也會(huì)給設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)帶來極大損害。所以阻火呼吸閥對(duì)漏熱的請(qǐng)求較高。為了下降傳熱,在合理挑選絕熱的前提下,應(yīng)盡量選用熱導(dǎo)率相對(duì)低的資料,以下下降溫介質(zhì)的蒸發(fā)量。
3. 4 在低溫?zé)o油光滑的狀況下,具有必需的硬度和耐磨性
閥門依托閥桿的運(yùn)動(dòng)敞開和封閉,閥桿傳遞的作用力又使密封面到達(dá)必定的密封力。這就請(qǐng)求制造截止閥零部件的資料必須有必定的硬度和耐摩性。鋁和鋁合金在阻火呼吸閥中的運(yùn)用有必定的約束,首要是因?yàn)橛捕炔恍?會(huì)致使密封外表比鋼和黃銅失效得更快[1]。 現(xiàn)在運(yùn)用較多的金屬資料有:不銹鋼、銅合金、鋁合金、鎳合金等;非金屬資料有:玻璃鋼、聚四氟乙烯、增強(qiáng)聚四氟乙烯、聚酰亞胺、石棉繩、橡膠等,其間玻璃鋼大多作為熱橋零件,而聚四氟乙烯、增強(qiáng)聚四氟乙烯、聚酰亞胺多作為密封面資料,石棉繩、橡膠、填料等多作為閥桿密封資料。
4 阻火呼吸閥的密封
低溫介質(zhì)的本錢以及損害性等特色,使低溫閥門的密封規(guī)劃在全部規(guī)劃進(jìn)程中占有適當(dāng)主要的方位請(qǐng)求在必定作業(yè)條件下不能走漏,阻火呼吸閥的密封要包含閥桿密封和密封面密封。
4. 1 閥桿密封
現(xiàn)在阻火呼吸閥的閥桿密封有填料函和波紋管兩種其間在成批出產(chǎn)的空氣別離設(shè)備上的閥門,其閥桿多選用填料函密封構(gòu)造。在有毒易燃易爆氣體介質(zhì)中作業(yè)的閥門,閥桿能夠選用波管密封,但在大于等于80MPa的高壓氣體中,由波紋管不能接受如此高的外壓,只能選用填料函密封填料函密封因?yàn)橹圃旒庸ず喡�、修理替換方便在實(shí)踐出產(chǎn)中運(yùn)用適當(dāng)遍及�？墒菫榇_保填料的密功能,其作業(yè)溫度通常不能低于-40℃,這就請(qǐng)求低溫閥門上作業(yè)的填料函設(shè)備應(yīng)盡量在挨近環(huán)境溫下作業(yè)。通常狀況下,填料不結(jié)霜即以為其處于正的作業(yè)狀況,但假如因?yàn)樘盍献陨砘蜃鳂I(yè)壽數(shù)的原使填料不密封,則低溫氣體經(jīng)過填料就會(huì)形成走漏并使填料函冷凍結(jié)霜,又會(huì)形成填料的進(jìn)一步走漏失效。在航天范疇運(yùn)用的許多低溫閥門系列中,因?yàn)槌梢卮蠖噙x用了填料函密封構(gòu)造,而為了確保閥桿填料函的溫度,均選用了加長閥桿長度的辦法,所形成這些低溫閥的尺度均比較大。
波紋管密封截止閥多用于介質(zhì)不答應(yīng)微量走漏和不適填料的場合。在波紋管的規(guī)劃中,其壽數(shù)是要害,波紋管的壽數(shù)與其行程巨細(xì)和初始設(shè)備狀況有關(guān)。確保波紋管截止閥的運(yùn)用壽數(shù),在行程必定的狀況下,設(shè)備波紋時(shí)要確保其不接受附加外力的作用;在作業(yè)狀況下因?yàn)椴y管接受的是外壓,其作業(yè)狀況較好,但由低溫閥門的迅速封閉或管道中也許存在的氣穴都也許引水擊。因而在波紋管接受的核算壓力時(shí),要加上定的安全系數(shù),并盡也許使波紋管避免直接接受水擊。
4. 2 密封面密封
低溫閥門密封面的構(gòu)造大體上分為平面、錐面球面、刀形等密封辦法。其間平面密封因?yàn)榧庸ぴ旌喡赃\(yùn)用較為廣泛,特別合適運(yùn)用在大口徑閥門中但因?yàn)槠淦矫鏄?gòu)造的特色使其密封力比較大,需求操作力也較大。錐面和球面密封副在小口徑閥門頂用較為廣泛,有好的運(yùn)用實(shí)例。因?yàn)槭清F面辦法,所需密封力和操作力比較小,但在大口徑閥門中很少用,不只因?yàn)槠浼庸ぶ圃炱D難,并且在低溫狀況下由資料縮短、資料金相安排改變和加工誤差等多種要素作用,使密封面在低溫下簡略失掉密封功能而形成閥走漏。
關(guān)于制造密封面(閥頭-閥座)的資料,不只請(qǐng)求其有必定的機(jī)械強(qiáng)度,更主要的是要確保較高的外表硬度。密封面的資料通常不選用鋁和鋁合金,因?yàn)槠溆捕忍?通常均選用不銹鋼、銅合金、聚四氟乙烯、增強(qiáng)聚四氟乙烯、聚酰亞胺等資料(聚碳酸脂也可用做密封面資料,但沒有老練的運(yùn)用數(shù)據(jù))。跟著開展,開端測驗(yàn)運(yùn)用增強(qiáng)聚四氟乙烯替代聚四氟乙烯運(yùn)用于阻火呼吸閥的密封面,且作用也不錯(cuò)。對(duì)以上閥頭-閥座的配對(duì)資猜中,為了確保密封功能,必定要注意外表粗糙度的挑選。
5 沖突副的規(guī)劃
低溫閥門常常運(yùn)用的殼體和閥桿資料首要是0Cr18Ni9不銹鋼資料。不銹鋼資料在低溫下的整體機(jī)械功能得到了進(jìn)步,僅僅δ5、AKV值有所下降,且在常溫狀況下沖突有些很容易呈現(xiàn)咬死景象。低溫閥中沖突副將嚴(yán)重影響全部閥門作業(yè)的可靠性,且為了避免污染低溫介質(zhì),不答應(yīng)運(yùn)用避免零件磨損和咬死的光滑劑。低溫閥門在常溫狀況作業(yè)時(shí),為確保不呈現(xiàn)咬死景象,應(yīng)選用不一樣資料或把沖突副資料的硬度錯(cuò)開。
在實(shí)踐規(guī)劃中,通常選用0Cr18Ni9-黃銅,但0Cr18Ni9-2Cr13沖突副較好不要相配合。
6 閥門的漏熱
在低溫閥門中,因?yàn)榻橘|(zhì)本錢較高,閥門漏熱是要害疑問。經(jīng)過閥門的漏熱首要有2有些:經(jīng)過閥門殼體的漏熱和機(jī)械構(gòu)件的漏熱。
6. 1 經(jīng)過閥門殼體的漏熱
為了下降經(jīng)過閥門殼體的漏熱,通常選用外堆積絕熱和真空(多層)絕熱辦法。外堆積絕熱通常運(yùn)用在小口徑或很少修理的場合(因?yàn)橥舛逊e絕熱的修理本錢高),真空多層通常運(yùn)用在大口徑和液氫、液氦的阻火呼吸閥門中。在真空型的絕熱體中,熱量經(jīng)過絕熱體是以輻射、固體傳導(dǎo)和氣體傳導(dǎo)等幾種辦法進(jìn)行傳遞的。要精確地核算這有些熱量很艱難,工程上用總的表觀導(dǎo)熱系數(shù)來處理。
6. 2 機(jī)械構(gòu)件漏熱
機(jī)械構(gòu)件漏熱分為兩種狀況:沒有涼氣冷卻的構(gòu)件和有涼氣冷卻的構(gòu)件。 在規(guī)劃中為了下降這類構(gòu)件的漏熱在滿意構(gòu)件強(qiáng)度和剛度請(qǐng)求的一起能夠采納加長構(gòu)件長度、減小構(gòu)件截面積的辦法來下降漏熱量;或許答應(yīng)的前提下將構(gòu)件分段,一端以球頭觸摸來增大觸熱阻(一起段與段之間也能夠加放隔熱墊),該法通常用于下降閥桿漏熱;別的還能夠經(jīng)過選用導(dǎo)系數(shù)較小的資料來下降漏熱量,該辦法通常用于降閥門支持件的漏熱,支持件資料通常選用導(dǎo)熱系數(shù)為0?25W / (m?K) ~0. 45 W / (m?K)的玻鋼。支持辦法在工程上常有三角形、正方形、球環(huán)等構(gòu)造辦法。有涼氣冷卻的構(gòu)件,其頸管的傳熱狀況比較雜亂包含冷、熱兩頭之間的熱傳導(dǎo),冷蒸氣與頸內(nèi)壁的流傳熱,頸管外壁與絕熱層之間的傳熱以及經(jīng)過頸管對(duì)液體的輻射傳熱等,精確核算其傳熱是很雜亂的。為了削減頸管有些的傳熱量,除選用低導(dǎo)熱系數(shù)資料,減薄管壁,添加管長等辦法外,添加頸管內(nèi)壁粗糙度和進(jìn)行涂黑處理,以及對(duì)頸管外壁進(jìn)行拋光,均能夠削減其傳熱量。
7 真空腔及多層絕熱資料
在低溫閥規(guī)劃中,為了下降閥門夾層中氣體的對(duì)流傳熱,閥門的夾層要抽成真空,真空度通常到達(dá)10-3Pa以上。而為了取得和堅(jiān)持這么的真空度,在真空度到達(dá)請(qǐng)求后常用吸氣劑來堅(jiān)持。通常用于低溫設(shè)備的吸氣劑有活性炭(液氧閥門中在外)和分子篩。
為了下降輻射傳熱,要在真空中設(shè)備防輻射屏。高真空多層絕熱資料由高反射性、低輻射率的屏資料和導(dǎo)熱系數(shù)低的距離資料構(gòu)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(wǎng)及絲綢等。影響多層絕熱的要素有:資料及其組合辦法、真空度、層密度、總厚度、溫度、機(jī)械負(fù)荷及雜質(zhì)等。
8 閥門零部件的深冷處理
低溫閥門中通常選用不銹鋼資料作殼體,而奧氏體不銹鋼在低溫狀況下存在奧氏體安排向馬氏體安排轉(zhuǎn)化的傾向。當(dāng)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)化時(shí)就會(huì)形成體積的改變,然后使得閥門密封面也許失掉密封功能而失效。為了下降這種轉(zhuǎn)化量,零部件在精加工前要進(jìn)行深冷處理,通常選用的辦法是在液氮中浸泡1 h~2h,并重復(fù)2~3次就能滿意運(yùn)用請(qǐng)求。
9 閥門的實(shí)驗(yàn)
為了確保低溫閥安全可靠地運(yùn)轉(zhuǎn),阻火呼吸閥在拼裝畢后應(yīng)進(jìn)行壓力和密封實(shí)驗(yàn),以查驗(yàn)包含閥體與閥聯(lián)合處在內(nèi)的全部閥門的耐壓及密封功能。
殼體進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)時(shí),其實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和程序應(yīng)符國家有關(guān)規(guī)范。因?yàn)榈蜏亻y多選用不銹鋼,水壓試用水的氯化物含量不該超越25 mg/L。閥門拼裝前水壓實(shí)驗(yàn)完畢后,應(yīng)對(duì)每個(gè)零部件完全洗凈并鏟除漬,其間油污含量應(yīng)契合JB/T 6896-93《空氣別離備外表清潔度》的請(qǐng)求。實(shí)驗(yàn)壓力為規(guī)劃壓力的1.5倍,合格規(guī)范為:在增壓進(jìn)程中無反常響聲,無走漏微觀上不答應(yīng)有可見的反常變形。
壓力實(shí)驗(yàn)合格后進(jìn)行密封實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)壓力為設(shè)壓力。實(shí)驗(yàn)前對(duì)閥體,閥蓋的銜接以及填料函、閥密封面等處進(jìn)行查看。為了查看低溫閥門在運(yùn)用溫度下密封及操作功能,常溫密封實(shí)驗(yàn)合格后要進(jìn)行低溫查驗(yàn),為確保安全性,下降實(shí)驗(yàn)本錢,低溫閥門實(shí)驗(yàn)通常用液氮實(shí)驗(yàn)。當(dāng)閥門出產(chǎn)公司不具有低溫實(shí)驗(yàn)才能時(shí)也可在常溫密封實(shí)驗(yàn)合格后在運(yùn)用單位做。實(shí)驗(yàn)一采納浸泡辦法,即把全部低溫閥門浸入液氮進(jìn)行冷卻,液體的水平面少掩蓋住閥體與閥蓋的銜接部位,在閥門溫度安穩(wěn)后向閥門通入氦氣查看其密封功能。
10 設(shè)備調(diào)試
阻火呼吸閥門的各種實(shí)驗(yàn)合格后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場,由運(yùn)用單擔(dān)任設(shè)備并進(jìn)行全部低溫體系的查驗(yàn)以及試運(yùn)轉(zhuǎn)。
