低溫截止（zhǐ）閥故障介紹及處理

航天用低溫氣（qì）氫、液氫用截止閥介紹

低溫截止（zhǐ）閥是一種工作在低溫液氮、液氧、低（dī）溫氣氫或液（yè）氫介質中,用來接通或切斷（duàn）管路介質的裝置。該文中介紹一種用（yòng）於氫氧（yǎng）發動機試驗（yàn）台上的低溫截止閥（fá）,針對在使用（yòng）過程（chéng）中出現閥門無法（fǎ）動作的問題,進行了故障分析,通（tōng）過（guò）改進結構,使閥門正常運行於試（shì）驗係統中。

結構特點

1、技術參數

低溫截止（zhǐ）閥的（de）技術參數：

工作介質：低溫（wēn）氣氫、液氫

公稱（chēng）通（tōng）徑：10～65mm

高使用壓力：25MPa

最低使用溫度：-253℃

驅動方式：氣動(氣缸雙向通氣)

操作氣（qì）源（yuán）：氮氣,5±0.12MPa

連接方式：法蘭式、焊接式

2、結構

低溫截（jié）止（zhǐ）閥由閥體（tǐ）、閥瓣、閥杆和汽缸等組成。閥體、閥蓋和閥杆等均采用不鏽鋼,閥瓣采（cǎi）用銅（tóng）。上下兩段（duàn）閥杆（gǎn）中間用環氧酚醛層（céng）壓玻璃鋼布板實現（xiàn）絕熱,法蘭密封麵采（cǎi）用鋁墊片,填料使用聚四（sì）氟乙烯,汽（qì）缸使用雙特密封（fēng）,以減小（xiǎo）摩擦力,閥門整體采用聚氨酯（zhǐ）發泡（pào）保溫。

設計

1、材料選用

航天火箭用低溫推進劑一般有（yǒu）液（yè）氫、液氧和氟（fú）等,因此要求閥門材料能耐低溫、耐腐（fǔ）蝕與低溫介質相容並具有比較低的導熱性。目前,運用較多的金屬材料有奧（ào）氏體鋼、銅或鋁（lǚ）等,非金屬材料有玻璃鋼、聚四（sì）氟乙烯等。

從金相考（kǎo）慮,金屬材料中具有麵心立方晶格的奧（ào）氏體鋼、銅和鋁在低溫狀態下不會（huì）出現低溫脆性,但因鋁及鋁（lǚ）合金的硬度不高,鋁密封（fēng）麵的耐磨、耐擦傷性能差,所以在低溫閥（fá）門中的使用有（yǒu）一定的限製,僅用（yòng）於低壓和小（xiǎo）口徑閥門中。

低溫閥門用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化（huà）下具有可靠的密封性和複原（yuán）性,因此一（yī）般選擇性能變化（huà）小的墊片材料。如浸漬（zì）聚四（sì）氟乙烯的石棉填料或成型塑（sù）料件填料,而玻璃鋼由於導熱係數很小,大多用作熱橋元件。

2、密封（fēng）結構

在關閉件設計時,閥座采用較硬的材料（liào）———不（bú）鏽鋼,閥（fá）瓣采用較軟的材料———銅,當低溫下奧氏體發生（shēng）相變時,密封麵高低不平,軟材料（liào）在操作力的作用下產生形變而使其與閥座貼（tiē）合緊密,補償由於熱應力和（hé）組織應力引起的材料變形,解決（jué）了高（gāo）壓（yā）低溫工況（kuàng）下的密封性問題。

3、絕熱結構

為較好地實現低溫截止閥的絕熱,將閥蓋設（shè）計成細長結（jié）構,加（jiā）長熱橋,防止因填料函部分過冷而使處（chù）在填料函部位的閥杆（gǎn）以及閥蓋上部的零件結（jié）霜,影響使用。采（cǎi）用隔熱墊(材料為環氧酚醛層壓玻（bō）璃鋼布)將閥杆分為上、下兩部分,減小熱流,實（shí）現絕熱。閥門整體（tǐ）采用外絕熱形式,使用聚氨脂發泡保溫,保層（céng）厚200mm。

4、故障分析

低溫截止閥應用於試驗係統後,出現了無法動作的故障。在對該閥（fá）解體後（hòu）發現（xiàn）,閥杆與閥蓋出現了（le）咬合,閥杆表麵的中心線對稱位置（zhì）處有兩處較深（shēn）的劃痕,與之相配的閥蓋下法蘭相應位置（zhì）上也有兩處劃痕。經過分析,引起故障的原因有（yǒu）兩（liǎng）方麵。

存儲期

閥門存放期間（jiān）水平放（fàng）置（zhì）並處於開啟狀態,閥（fá）杆與閥瓣形成懸臂梁結構,懸臂（bì）長147mm,懸（xuán）臂（bì）重418kg。由於重力作用（yòng）引（yǐn）起下閥杆彎曲,使得下閥杆和閥蓋法蘭孔同軸度偏差增大。原（yuán）設計中（zhōng）同軸（zhóu）度（dù）最大偏（piān）差為0.1mm,拆除（chú）後實測同軸度偏差（chà）約為0.4mm。由於兩零件材料均為OCr18Ni9不鏽鋼,低溫下無法進行潤滑,動作時由於同軸度偏差大產生咬合現象。

加工期

經檢（jiǎn）查（chá）,閥蓋上的銷釘槽沒（méi）有按圖紙加工(圖1)。將圖紙中的方形槽加工（gōng）成圓（yuán）弧形槽,影響了銷釘和銷釘槽的正常配合,下閥杆承受側向力,從而導致下閥杆和閥蓋產生幹涉。

改進

針對分析中存在的問題,對低溫截止閥結構做了改進。

(1)閥杆與閥蓋配合（hé）部分在下閥杆<51mm處壓入一個H62銅套(圖2),不鏽鋼OCr18Ni9硬度160HB,黃銅H62硬度56HB,采用這種方式可避免同（tóng）種材料直接接（jiē）觸而產（chǎn）生（shēng）咬合現象。將閥（fá）蓋下法蘭孔<51mm加工（gōng）至<57mm,與下閥杆相應處采用間隙配合(H8/f7),既保證了配合（hé）件具有較小的（de）動摩擦力,又起到（dào）了導向作用。

(2)閥杆防轉裝置銷釘和銷釘槽配合的作（zuò）用是避免（miǎn）閥杆旋轉。由於該閥的閥（fá）瓣、閥杆、汽缸和活（huó）塞等（děng）為回轉體,其閥杆是否旋轉對其密封和啟閉性能不會產生影響。為（wéi）了避免由於銷釘和銷釘槽配合不當而（ér）使下（xià）閥杆承（chéng）受側向力,取消了銷釘。

改進後（hòu）的截止閥在實（shí）際使用中動作性能良好。一般情況（kuàng）下,低溫閥門運動副在間隙適當時,可以采（cǎi）用不鏽鋼,但是長期使用在有側向力或者軸變（biàn）形工況時易（yì）產生咬合,因此盡量不（bú）用。另外,閥門要豎直放置和使用,長期（qī）不用時,應使閥門（mén）處於關閉狀態。