1、低溫深冷不銹鋼截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案概述
低溫截止閥是一種工作在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。本文介紹一種用于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上的低溫截止閥,針對(duì)在使用過(guò)程中出現(xiàn)閥門無(wú)法動(dòng)作的問(wèn)題,進(jìn)行了故障分析,通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu),使閥門正常運(yùn)行于試驗(yàn)系統(tǒng)中。低溫截止閥用于低溫液體貯運(yùn)設(shè)備的管理系統(tǒng)，具有開關(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(tǒng)。
低溫截止閥可分為長(zhǎng)軸和短軸。適用于低溫液體貯運(yùn)設(shè)備的管理系統(tǒng)，具有開關(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(tǒng)。加長(zhǎng)桿低溫截止閥在低溫工作的材料要保證其低溫性能，主要是保證其冷沖擊強(qiáng)度。低溫閥門閥內(nèi)件必須通過(guò)正確選材，使其具有足夠的冷沖擊強(qiáng)度，才能防止斷裂。C和Cr的合金鋼在低于－20℃時(shí)候很快失去抗沖擊強(qiáng)度，所以使用溫度分別限制在-30℃和-50℃。含Ni量為3.5%的鎳鋼可以使用到-100℃，含Ni量9%的鎳鋼可以使用到-196℃。奧氏體不銹鋼、鎳、蒙乃爾合金、哈氏合金、鈦、鋁合金及青銅可以使用到更低的溫度(-273℃)
低溫截止閥引用標(biāo)準(zhǔn)
設(shè)計(jì)與制造: JB/T7749-95
結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度: GB/T12221-89
連接法蘭: GB/T9113-2000，HG20592-97，SH3406-96GB/T12224-89
試驗(yàn)與檢驗(yàn): JB/T7749-95
低溫截止閥型號(hào)規(guī)格
尺寸規(guī)格: DN10～500mm
公稱壓力: PN1.6～16.0MPa
低溫截止閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
1.結(jié)構(gòu)比閘閥簡(jiǎn)單，制造與維修都較方便。
2.密封面不易磨損及擦傷，密封性好，啟閉時(shí)閥瓣與閥體密封面之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，因而磨損與擦傷均不嚴(yán)重，密封性能好，使用壽命長(zhǎng)。
3.啟閉時(shí)，閥瓣行程小，因而截止閥高度比閘閥小，但結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度比閘閥長(zhǎng)。
4.啟閉力矩大、啟閉較費(fèi)力，啟閉時(shí)間校長(zhǎng)。
5.流體阻力大，因閥體內(nèi)介質(zhì)通道較曲折，流體阻力大，動(dòng)力消耗大。
6.介質(zhì)流動(dòng)方向 公稱壓力PN≤16MPa時(shí)，一般采用順流，介質(zhì)從閥瓣下方向上流；公稱壓力PN≥20MPa時(shí)，一般采用逆流，介質(zhì)從閥瓣上方向下流．以增加密封件能。使用時(shí)，截止閥介質(zhì)只能單方向流動(dòng)，不能改變流動(dòng)方向。
7.全開時(shí)閥瓣經(jīng)常受沖蝕。 
2、低溫深冷不銹鋼截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
2.1、技術(shù)參數(shù)
執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) | 設(shè)計(jì)與制造 | 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度 | 法蘭尺寸 | 壓力-溫度 | 試驗(yàn)與檢驗(yàn) | | JB/T7749 | GB 12221 | JB79 | GB9131 | JB/T9092 |
壓力試驗(yàn) | 公稱壓力PN | 1.6 | 2.5 | 4.0 | | 強(qiáng)度試驗(yàn) | 2.4 | 3.8 | 6.0 | | 水密封試驗(yàn) | 1.8 | 2.8 | 4.4 | | 上密封試驗(yàn) | 1.8 | 2.8 | 4.4 | | 氣密封試驗(yàn) | 0.4-0.7 |
主要性能范圍 | 型號(hào) | DJ41Y-16 | DJ41Y-16P | DJ41Y-25 | DJ41Y-25P | DJ41Y-40 | DJ41Y-40P | | 工作壓力（MPa） | 1.6 | 2.5 | 4.0 | | 適用溫度（℃） | -45 | -101 | -196 | | 適用介質(zhì) | 液化天然氣、液氮、液氨、乙烯、丙烯、甲烷等低溫介質(zhì) | | 材料 | 閥體、閥蓋 | LCB | LC3 | LCB | LC3 | LCB | LC3 | | 閥瓣、閥座 | 鉻鎳鋼＋鈷鉻鎢 | | 閥桿 | 鉻鎳鋼 |
2.2、低溫深冷不銹鋼截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案結(jié)構(gòu) 
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(xiàn)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,閥門整體采用聚氨酯發(fā)泡保溫。
3、低溫深冷不銹鋼截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案設(shè)計(jì)
3.1、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(dǎo)熱性。目前,運(yùn)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(xiàn)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,所以在低溫閥門中的使用有一定的限制,僅用于低壓和小口徑閥門中。
低溫閥門用墊片必須在常溫、低溫及溫度變化下具有可靠的密封性和復(fù)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(dǎo)熱系數(shù)很小,大多用作熱橋元件。
3.2、密封結(jié)構(gòu)
在關(guān)閉件設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)蜏叵聤W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(bǔ)償由于熱應(yīng)力和組織應(yīng)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。
3.3、絕熱結(jié)構(gòu)
為較好地實(shí)現(xiàn)低溫截止閥的絕熱,將閥蓋設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),加長(zhǎng)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(jié)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(xiàn)絕熱。閥門整體采用外絕熱形式,使用聚氨脂發(fā)泡保溫,保層厚200mm。 
4、低溫深冷不銹鋼截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案故障分析
低溫截止閥應(yīng)用于試驗(yàn)系統(tǒng)后,出現(xiàn)了無(wú)法動(dòng)作的故障。在對(duì)該閥解體后發(fā)現(xiàn),閥桿與閥蓋出現(xiàn)了咬合,閥桿表面的中心線對(duì)稱位置處有兩處較深的劃痕,與之相配的閥蓋下法蘭相應(yīng)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。
(1)存儲(chǔ)期
閥門存放期間水平放置并處于開啟狀態(tài),閥桿與閥瓣形成懸臂梁結(jié)構(gòu),懸臂長(zhǎng)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(shè)計(jì)中同軸度最大偏差為0.1mm,拆除后實(shí)測(cè)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(rùn)滑,動(dòng)作時(shí)由于同軸度偏差大產(chǎn)生咬合現(xiàn)象。
(2)加工期
經(jīng)檢查,閥蓋上的銷釘槽沒有按圖紙加工。將圖紙中的方形槽加工成圓弧形槽,影響了銷釘和銷釘槽的正常配合,下閥桿承受側(cè)向力,從而導(dǎo)致下閥桿和閥蓋產(chǎn)生干涉。 
5、低溫深冷不銹鋼截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案改進(jìn)
針對(duì)分析中存在的問(wèn)題,對(duì)低溫截止閥結(jié)構(gòu)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(xiàn)象。將閥蓋下法蘭孔<51mm加工至<57mm,與下閥桿相應(yīng)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(dǎo)向作用。
(2)閥桿防轉(zhuǎn)裝置銷釘和銷釘槽配合的作用是避免閥桿旋轉(zhuǎn)。由于該閥的閥瓣、閥桿、汽缸和活塞等為回轉(zhuǎn)體,其閥桿是否旋轉(zhuǎn)對(duì)其密封和啟閉性能不會(huì)產(chǎn)生影響。為了避免由于銷釘和銷釘槽配合不當(dāng)而使下閥桿承受側(cè)向力,取消了銷釘。 
6、低溫深冷不銹鋼截止閥優(yōu)化改進(jìn)方案結(jié)語(yǔ)
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,低溫閥門運(yùn)動(dòng)副在間隙適當(dāng)時(shí),可以采用不銹鋼,但是長(zhǎng)期使用在有側(cè)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,閥門要豎直放置和使用,長(zhǎng)期不用時(shí),應(yīng)使閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。
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