化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案

低溫截止閥是一種工作在低溫液氮、液氧、低溫氣氫或液氫介質(zhì)中,用來(lái)接通或切斷管路介質(zhì)的裝置。該文中介紹一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機試驗臺上的低溫截止閥,針對在使用過(guò)程中出現閥門(mén)無(wú)法動(dòng)作的問(wèn)題,進(jìn)行了故障分析,通過(guò)改進(jìn)結構,使閥門(mén)正常運行于試驗系統中。DJ61Y鍛鋼低溫截止閥適用于低溫液體貯運設備的管理系統，具有開(kāi)關(guān)靈活、密封可靠的特點(diǎn)，也可用于其他低溫和深冷介質(zhì)的管理系統。

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案設計形式

DJ61Y鍛鋼低溫截止閥有二種閥蓋設計形式。第一種是螺栓式閥蓋，按這種設計形式設計的閥門(mén)，其閥體與閥蓋用螺栓螺母連接，纏繞式墊片 (31 6夾柔性石墨制造)密封?？蛻?hù)有特殊要求時(shí)也可采用金屬環(huán)連接。第二種設計形式是焊接式閥蓋，按這種設計形式的閥門(mén)，其閥體與閥蓋用螺紋連接，全焊密封?？蛻?hù)有特殊要求時(shí)也可采用全焊逶連接。閘閘、截止閥、球閥都可設計成低溫閥。為了能在-196℃(320oF)的低溫下使用，一般將閥門(mén)設計成加長(cháng)式閥蓋。 

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案產(chǎn)品特點(diǎn)

1、產(chǎn)品設計制造按ANSIB16.34、E101標準，可與進(jìn)口設備配備使用。
2、閥門(mén)中腔采用壓力自緊式密封結構，內腔壓力越高密封性能越好。
3、閥瓣和閥座的密封面采用司太立（stellite）鈷基硬質(zhì)合金堆焊而成。
4、閥蓋填料函深度合理，填料加緩蝕劑，密封可靠，開(kāi)關(guān)平穩。
5、閥門(mén)具有上密封結構，保證閥門(mén)開(kāi)啟運行時(shí)不經(jīng)閥桿外漏。

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案結構特點(diǎn)

1、技術(shù)參數

低溫截止閥的技術(shù)參數：

工作介質(zhì)：低溫氣氫、液氫

公稱(chēng)通徑：10～65mm

高使用壓力：25MPa

使用溫度：-253℃

驅動(dòng)方式：氣動(dòng)(氣缸雙向通氣)

操作氣源：氮氣,5±0.12MPa

連接方式：法蘭式、焊接式

2、化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案結構

低溫截止閥由閥體、閥瓣、閥桿和汽缸等組成。閥體、閥蓋和閥桿等均采用不銹鋼,閥瓣采用銅。上下兩段閥桿中間用環(huán)氧酚醛層壓玻璃鋼布板實(shí)現絕熱,法蘭密封面采用鋁墊片,填料使用聚四氟乙烯,汽缸使用雙特密封,以減小摩擦力,閥門(mén)整體采用聚氨酯發(fā)泡保溫。

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案設計

1、材料選用

航天火箭用低溫推進(jìn)劑一般有液氫、液氧和氟等,因此要求閥門(mén)材料能耐低溫、耐腐蝕與低溫介質(zhì)相容并具有比較低的導熱性。目前,運用較多的金屬材料有奧氏體鋼、銅或鋁等,非金屬材料有玻璃鋼、聚四氟乙烯等。

從金相考慮,金屬材料中具有面心立方晶格的奧氏體鋼、銅和鋁在低溫狀態(tài)下不會(huì )出現低溫脆性,但因鋁及鋁合金的硬度不高,鋁密封面的耐磨、耐擦傷性能差,所以在低溫閥門(mén)中的使用有一定的限制,僅用于低壓和小口徑閥門(mén)中。

低溫閥門(mén)用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復原性,因此一般選擇性能變化小的墊片材料。如浸漬聚四氟乙烯的石棉填料或成型塑料件填料,而玻璃鋼由于導熱系數很小,大多用作熱橋元件。

2、密封結構

在關(guān)閉件設計時(shí),閥座采用較硬的材料———不銹鋼,閥瓣采用較軟的材料———銅,當低溫下奧氏體發(fā)生相變時(shí),密封面高低不平,軟材料在操作力的作用下產(chǎn)生形變而使其與閥座貼合緊密,補償由于熱應力和組織應力引起的材料變形,解決了高壓低溫工況下的密封性問(wèn)題。

3、絕熱結構

為較好地實(shí)現低溫截止閥的絕熱,將閥蓋設計成細長(cháng)結構,加長(cháng)熱橋,防止因填料函部分過(guò)冷而使處在填料函部位的閥桿以及閥蓋上部的零件結霜,影響使用。采用隔熱墊(材料為環(huán)氧酚醛層壓玻璃鋼布)將閥桿分為上、下兩部分,減小熱流,實(shí)現絕熱。閥門(mén)整體采用外絕熱形式,使用聚氨脂發(fā)泡保溫,保層厚200mm。

4、故障分析

低溫截止閥應用于試驗系統后,出現了無(wú)法動(dòng)作的故障。在對該閥解體后發(fā)現,閥桿與閥蓋出現了咬合,閥桿表面的中心線(xiàn)對稱(chēng)位置處有兩處較深的劃痕,與之相配的閥蓋下法蘭相應位置上也有兩處劃痕。經(jīng)過(guò)分析,引起故障的原因有兩方面。

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案主要零件材質(zhì)

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案外形結構圖

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案主要外形尺寸

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案存儲期

閥門(mén)存放期間水平放置并處于開(kāi)啟狀態(tài),閥桿與閥瓣形成懸臂梁結構,懸臂長(cháng)147mm,懸臂重418kg。由于重力作用引起下閥桿彎曲,使得下閥桿和閥蓋法蘭孔同軸度偏差增大。原設計中同軸度最大偏差為0.1mm,拆除后實(shí)測同軸度偏差約為0.4mm。由于兩零件材料均為OCr18Ni9不銹鋼,低溫下無(wú)法進(jìn)行潤滑,動(dòng)作時(shí)由于同軸度偏差大產(chǎn)生咬合現象。

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案加工期

經(jīng)檢查,閥蓋上的銷(xiāo)釘槽沒(méi)有按圖紙加工(圖1)。將圖紙中的方形槽加工成圓弧形槽,影響了銷(xiāo)釘和銷(xiāo)釘槽的正常配合,下閥桿承受側向力,從而導致下閥桿和閥蓋產(chǎn)生干涉。

化工低溫深冷介質(zhì)焊接式截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案改進(jìn)

針對分析中存在的問(wèn)題,對低溫截止閥結構做了改進(jìn)。

(1)閥桿與閥蓋配合部分在下閥桿<51mm處壓入一個(gè)H62銅套(圖2),不銹鋼OCr18Ni9硬度160HB,黃銅H62硬度56HB,采用這種方式可避免同種材料直接接觸而產(chǎn)生咬合現象。將閥蓋下法蘭孔<51mm加工至<57mm,與下閥桿相應處采用間隙配合(H8/f7),既保證了配合件具有較小的動(dòng)摩擦力,又起到了導向作用。

(2)閥桿防轉裝置銷(xiāo)釘和銷(xiāo)釘槽配合的作用是避免閥桿旋轉。由于該閥的閥瓣、閥桿、汽缸和活塞等為回轉體,其閥桿是否旋轉對其密封和啟閉性能不會(huì )產(chǎn)生影響。為了避免由于銷(xiāo)釘和銷(xiāo)釘槽配合不當而使下閥桿承受側向力,取消了銷(xiāo)釘。

改進(jìn)后的截止閥在實(shí)際使用中動(dòng)作性能良好。一般情況下,低溫閥門(mén)運動(dòng)副在間隙適當時(shí),可以采用不銹鋼,但是長(cháng)期使用在有側向力或者軸變形工況時(shí)易產(chǎn)生咬合,因此盡量不用。另外,閥門(mén)要豎直放置和使用,長(cháng)期不用時(shí),應使閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)。