1 導言
跟著新式氫氧研發(fā)的深化,關于火箭發(fā)動機氫氧溫區(qū)用的低溫閥門也提出了更多請求,特別是對閥門口徑的請求越來越大,其間液氫溫區(qū)用的阻火呼吸閥已到達DN250,液氧溫區(qū)已達DN200 (以上口徑是關于截止閥,球閥口徑已到達DN300)。在航天范疇作為流體運送及堵截用處而廣泛運用的閥門首要有截止閥和球閥。以下關于高真空多層阻火呼吸閥規(guī)劃時應思考的疑問進行評論與剖析。
2 低溫閥門的界說及構造
低溫閥是一種在溫度等于或低于120 K的介質中作業(yè)的閥門。低溫閥除了應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,動作靈敏,漏熱低一級特色,而其要害技術對漏熱的請求。因而依據(jù)絕熱辦法的不一樣,其構造要有堆積絕熱式、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
因為低溫閥作業(yè)介質的低溫性質,使低溫閥門對資料有許多特殊請求。
3. 1 資料耐低溫功能
低溫閥不只請求在低溫下確保正常作業(yè),一起要確保其常溫的作業(yè)機械功能,也要滿意低溫下所需的機械功能,特別是沖擊功和相對延伸率的請求。關于以上請求,為了避免資料在低溫下的低應力脆斷,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。這是因為經過對低應力脆性開裂特色研討,對金屬開裂機理進行剖析發(fā)現(xiàn),金屬的低溫耐性即缺口頂級處的金屬微觀塑性變形才能是決議設備反抗應力脆斷損壞的要害。實驗標明,具有面心立方構造的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼基本上沒有這種溫度效應,即沒有低應力脆斷。這是因為當溫度下降時,面心立方金屬的屈從強度沒有明顯改變,并且不易發(fā)作形變孿晶,位錯簡略運動,有些應力易于松懈,裂紋不易傳達,通常沒有脆性改變溫度。
3. 2 與低溫介質的相容性
資料與低溫介質的相容性即是請求資料自身不能與低溫介質發(fā)作任何物理化學改變,不能致使腐蝕及爆破。如在氧介質中作業(yè)的資料,不答應運用玻璃鋼作為絕熱資料,也不答應運用活性碳作為吸氣劑,因為它們均能與氧發(fā)作焚燒爆破。
3. 3 具有相對低的導熱性,即熱導率相對低
阻火呼吸閥運送的介質溫度低,介質本錢高,并且介質的俄然汽化也會給設備的安全運轉帶來極大損害。所以阻火呼吸閥對漏熱的請求較高。為了下降傳熱,在合理挑選絕熱的前提下,應盡量選用熱導率相對低的資料,以下下降溫介質的蒸發(fā)量。
3. 4 在低溫無油光滑的狀況下,具有必需的硬度和耐磨性
閥門依托閥桿的運動敞開和封閉,閥桿傳遞的作用力又使密封面到達必定的密封力。這就請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用有必定的約束,首要是因為硬度不行,會致使密封外表比鋼和黃銅失效得更快[1]。 現(xiàn)在運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)劃進程中占有適當主要的方位請求在必定作業(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的空氣別離設備上的閥門,其閥桿多選用填料函密封構造。在有毒易燃易爆氣體介質中作業(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為制造加工簡略、修理替換方便在實踐出產中運用適當遍及。可是為確保填料的密功能,其作業(yè)溫度通常不能低于-40℃,這就請求低溫閥門上作業(yè)的填料函設備應盡量在挨近環(huán)境溫下作業(yè)。通常狀況下,填料不結霜即以為其處于正的作業(yè)狀況,但假如因為填料自身或作業(yè)壽數(shù)的原使填料不密封,則低溫氣體經過填料就會形成走漏并使填料函冷凍結霜,又會形成填料的進一步走漏失效。在航天范疇運用的許多低溫閥門系列中,因為成要素大多選用了填料函密封構造,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不答應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)與其行程巨細和初始設備狀況有關。確保波紋管截止閥的運用壽數(shù),在行程必定的狀況下,設備波紋時要確保其不接受附加外力的作用;在作業(yè)狀況下因為波紋管接受的是外壓,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,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。其間平面密封因為加工造簡略運用較為廣泛,特別合適運用在大口徑閥門中但因為其平面構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,有好的運用實例。因為是錐面辦法,所需密封力和操作力比較小,但在大口徑閥門中很少用,不只因為其加工制造艱難,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。
關于制造密封面(閥頭-閥座)的資料,不只請求其有必定的機械強度,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,因為其硬度太差,通常均選用不銹鋼、銅合金、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺等資料(聚碳酸脂也可用做密封面資料,但沒有老練的運用數(shù)據(jù))。跟著開展,開端測驗運用增強聚四氟乙烯替代聚四氟乙烯運用于阻火呼吸閥的密封面,且作用也不錯。對以上閥頭-閥座的配對資猜中,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械功能得到了進步,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,不答應運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,為確保不呈現(xiàn)咬死景象,應選用不一樣資料或把沖突副資料的硬度錯開。
在實踐規(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,因為介質本錢較高,閥門漏熱是要害疑問。經過閥門的漏熱首要有2有些:經過閥門殼體的漏熱和機械構件的漏熱。
6. 1 經過閥門殼體的漏熱
為了下降經過閥門殼體的漏熱,通常選用外堆積絕熱和真空(多層)絕熱辦法。外堆積絕熱通常運用在小口徑或很少修理的場合(因為外堆積絕熱的修理本錢高),真空多層通常運用在大口徑和液氫、液氦的阻火呼吸閥門中。在真空型的絕熱體中,熱量經過絕熱體是以輻射、固體傳導和氣體傳導等幾種辦法進行傳遞的。要精確地核算這有些熱量很艱難,工程上用總的表觀導熱系數(shù)來處理。
6. 2 機械構件漏熱
機械構件漏熱分為兩種狀況:沒有涼氣冷卻的構件和有涼氣冷卻的構件。 在規(guī)劃中為了下降這類構件的漏熱在滿意構件強度和剛度請求的一起能夠采納加長構件長度、減小構件截面積的辦法來下降漏熱量;或許答應的前提下將構件分段,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;別的還能夠經過選用導系數(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)等構造辦法。有涼氣冷卻的構件,其頸管的傳熱狀況比較雜亂包含冷、熱兩頭之間的熱傳導,冷蒸氣與頸內壁的流傳熱,頸管外壁與絕熱層之間的傳熱以及經過頸管對液體的輻射傳熱等,精確核算其傳熱是很雜亂的。為了削減頸管有些的傳熱量,除選用低導熱系數(shù)資料,減薄管壁,添加管長等辦法外,添加頸管內壁粗糙度和進行涂黑處理,以及對頸管外壁進行拋光,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流傳熱,閥門的夾層要抽成真空,真空度通常到達10-3Pa以上。而為了取得和堅持這么的真空度,在真空度到達請求后常用吸氣劑來堅持。通常用于低溫設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熱系數(shù)低的距離資料構成,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、機械負荷及雜質等。
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化的傾向。當奧氏體向馬氏體轉化時就會形成體積的改變,然后使得閥門密封面也許失掉密封功能而失效。為了下降這種轉化量,零部件在精加工前要進行深冷處理,通常選用的辦法是在液氮中浸泡1 h~2h,并重復2~3次就能滿意運用請求。
9 閥門的實驗
為了確保低溫閥安全可靠地運轉,阻火呼吸閥在拼裝畢后應進行壓力和密封實驗,以查驗包含閥體與閥聯(lián)合處在內的全部閥門的耐壓及密封功能。
殼體進行強度實驗時,其實驗進程和程序應符國家有關規(guī)范。因為低溫閥多選用不銹鋼,水壓試用水的氯化物含量不該超越25 mg/L。閥門拼裝前水壓實驗完畢后,應對每個零部件完全洗凈并鏟除漬,其間油污含量應契合JB/T 6896-93《空氣別離備外表清潔度》的請求。實驗壓力為規(guī)劃壓力的1.5倍,合格規(guī)范為:在增壓進程中無反常響聲,無走漏微觀上不答應有可見的反常變形。
壓力實驗合格后進行密封實驗,實驗壓力為設壓力。實驗前對閥體,閥蓋的銜接以及填料函、閥密封面等處進行查看。為了查看低溫閥門在運用溫度下密封及操作功能,常溫密封實驗合格后要進行低溫查驗,為確保安全性,下降實驗本錢,低溫閥門實驗通常用液氮實驗。當閥門出產公司不具有低溫實驗才能時也可在常溫密封實驗合格后在運用單位做。實驗一采納浸泡辦法,即把全部低溫閥門浸入液氮進行冷卻,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 設備調試
阻火呼吸閥門的各種實驗合格后運輸?shù)浆F(xiàn)場,由運用單擔任設備并進行全部低溫體系的查驗以及試運轉。
