低温截止阀的结构设计,绝热形式选择,材料选用

低温截阀结构设,热形式选,材选用1引言随着新型氢氧研制的深入,对于火箭发动机氢氧温区用的低温阀门也提出了更多要,其是对阀门口径的要求越来越大中液氢温区用的低温截止阀已达到DN250,液氧温区已达DN200(以上口径是针对截止阀球阀口径已达到DN300)领域作为流体输送及切断用途而广泛使用的阀门主要有截止阀和球阀。以下针对高真空多层低温截止阀设计时应考虑的问题进行讨论与分析。2低温门的定义及构低温阀是一种在温度等于或低于120的介质中工作的阀门。低温阀除了应满足一般阀门所具备性能之,主要的是在低温状态下保证密封面的封性能作灵活,漏热低等特点而其关键技术对漏热的要求。因此根据绝热方式的不,其结构要有堆积绝热式、高真空绝热、真空粉末绝热和高空多层绝热等多种形式。3低温截止阀材料于低温阀工作介质的低温性,低温阀门对材料有许多特殊要求。3.1材料耐低温性能低温阀不仅要求在低温下保证正常工作时要保证其常温的工作机械性能,要满足低温下所需的机械性能其是冲击功和相对延伸率的要求。针对以上要求了防止材料在低温下的低应力脆断,一般多采用奥氏体组织的材,:氏体不锈钢铸件、铜、铜合金、铝及铝合金等。这是因为经过对低应力脆性断裂特点研金属断裂机理进行分析发,属的低温韧性即缺口尖端处的金属微观塑性变形能力是决定设备抵抗应力脆断破坏的关键。实验表具有面心立方结构的金属,如铜和奥氏体类钢基本上没有这种温度效应即没有低应力脆断为当温度降低时,面心立方金属的屈服强度没有显著变化,且不易产生形变孪错容易运,部应力易于松纹不易传,般没有脆性转变温度。3.2与低温介质的相容性材料与低温介质的相容性就是要求材料本身不能与低温介质发生任何物理化学变化,不能引起腐蚀及爆炸介质中工作的材料不允许使用玻璃钢作为绝热材料,也不允许使用活性碳作为吸气剂因为它们均能与氧发生燃烧爆炸。3.3具有相对低的导热性,即热导率相对低低温截止阀输送的介质温度,质成本且介质的突然汽化也会给设备的安全运行带来极大危害。所以低温截止阀对漏热的要求较高。为了降低传,在合理选择绝热的前提,尽量采用热导率相对低的材料降低低温介质的蒸发量。

3.4在低温无油润滑的情况下,具有必需的硬度和耐磨性阀门依靠阀杆的运动开启和关闭阀杆传递的作用力又使密封面达到一定的密封力就要求制作截止阀零部件的材料必须有一定的硬度和耐摩性和铝合金在低温截止阀中的使用有一定的限制要是因为硬度不,导致密封表面比钢和黄铜失效得更快1]目前使用较多的金属材料:不锈钢、铜合金、铝合金金等;非金属材料有:玻璃钢氟乙烯聚四氟乙烯亚胺、石棉绳其中玻璃钢大多作为热桥零件,而聚四氟乙烯氟乙烯、聚酰亚胺多作为密封面材料,石棉绳、橡胶、填料等多作为阀杆密封材料。4低温截止的密封温介质的成本以及危害性等特点,使低温阀门的密封设计在整个设计过程中占有相当重要的位臵要求在一定工作条件下不能泄低温截止阀的密封要包括阀杆密封和密封面密封。4.1阀杆密封目前低温截止阀的阀杆密封有填料函和波纹管两种其中在成批生产的空气分离装臵上的阀门阀杆多采用填料函密封结构。在有毒易燃易爆气体介质中工作的阀门,杆可以采用波管密封,在大于等于0MPa的高压气体中由波纹管不能承受如此高的外压能采用填料函密封填料函密封，由于制造加工简单、维修更换方便在实际生产中应用相当普遍。但是为保证填料的密性其工作温度一般不能低-40就要求低温阀门上工作的填料函装臵应尽量在接近环境温下工作况下,填料不结霜即认为其处于正的工作状态,如果由于填料本身或工作寿命的原因使填料不密封则低温气体通过填料就会造成泄漏并使填料函冷冻结霜会造成填料的进一步泄漏失效。在航天领域应用的很多低温阀门系列于成原因大多采用了填料函密封结构,为了确保阀杆填料函的温度,均采用了加长阀杆长度的方法,造成这些低温阀的尺寸均比较大。波纹管密封截止阀多用于介质不允许微量泄漏和不适填料的场合管的设计中,其寿命是关键,波纹管的寿命与其行程大小和初始安装状态有关纹管截止阀的使用寿,行程一定的情况,安装波纹时要保证其不承受附加外力的作用在工作状态下由于波纹管承受的是外其工作状态较好,由低温阀门的快速关闭或管道中可能存在的气穴都可能引水击波纹管承受的计算压力时,要加上定的安全系数,并尽可能使波纹管避免直接承受水击。4.2密封面密封低温阀门密封面的结构大体上分为平面、锥面、球面、刀形等密封形式。其中平面密封由于加工造简单应用较为广泛尤其适合应用在大口径阀门中但由于其平面结构的特点使其密封力比较大需要操作力也较大。锥面和球面密封副在小口径阀门中用较为广泛,有很好的应用实例锥面形式,需密封力和操作力比较小,在大口径阀门中很少用,不仅因为其加工制造困难而且在低温状态下由材料收缩、材料金相组织变化和加工误差等多种因素作,密封面在低温下容易失去密封性能而造成阀泄漏。对于制作密封面头-阀座)的材料,仅要求其有一定的机械强度重要的是

要保证较高的表面硬度的材料一般不采用铝和铝合金,为其硬度太差,通常均采用不锈钢金氟乙烯聚四氟乙烯亚胺等材料聚碳酸脂也可用做密封面材料但没有成熟的使用数据。随着发展,开始尝试使用增强聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯应用于低温截止阀的密封,效果也不错。对以上阀座的配对材料中了保证密封性能定要注意表面粗糙度的选择。5摩擦的设计低温阀门经常使用的壳体和阀杆材料主要是Cr18Ni9不锈钢材料材料在低温下的总体机械性能得到了提高只是δ5值有所降低,在常温状态下摩擦部分极易出现咬死现象中摩擦副将严重影响整个阀门工作的可靠性且为了防止污染低温介质不允许使用防止零件磨损和咬死的润滑剂。低温阀门在常温状态工作,确保不出现咬死现,选用不同材料或把摩擦副材料的硬度错开。在实际设计中通常采用0Cr18Ni9-黄铜0Cr18Ni9-2Cr13摩擦副最好不要相配合。6阀门漏热在低温阀门,由于介质成本较高,阀门漏热是关键问题门的漏热主要有2部分:通过阀门壳体的漏热和机械构件的漏热。6.1通过阀门壳体的漏热为了降低通过阀门壳体的漏热般采用外堆积绝热和真空多层)绝热方式。外堆积绝热一般应用在小口径或很少维修的场因为外堆积绝热的维修成本高,真空多层一般应用在大口径和液氢氦的低温截止阀门中真空型的绝热体中,热量通过绝热体是以辐射、固体传导和气体传导等几种方式进行传递的。要精确地计算这部分热量很困难,工程上用总的表观导热系数来处理。6.2机械构件漏热机械构件漏热分为两种情况:没有冷气冷却的构件和有冷气冷却的构件在计中为了降低这类构件的漏热在满足构件强度和刚度要求的同时可以采取加长构件长度、减小构件截面积的方法来降低漏热量者允许的前提下将构件分,一端以球头接触来增大触热阻时段与段之间也可以加放隔热垫,法通常用于降低阀杆漏外还可以通过采用导系数较小的材料来降低漏热量方法通常用于降阀门支撑件的漏热,支撑件材料一般采用导热系数为0〃25W/(m〃~0.45W/(mK)玻钢。支撑形式在工程上常有三角形、正方形、球环等结构形式。有冷气冷却的构件其颈管的传热情况比较复杂包括冷、热两端之间的热传蒸气与颈内壁的流传,颈管外壁与绝热层之间的传热以及通过颈管对液体的辐射传热等,精确计算其传热是很复杂的少颈管部分的传热量除采用低导热系数材料减薄管壁,加管长等措施外加颈管内壁粗糙度和进行涂黑处理,以及对颈管外壁进行抛光均可以减少其传热量。7

真空腔多层绝热材在低温阀设计为了降低阀门夹层中气体的对流传

热,阀门的夹层要抽成真空真空度一般达到10-3Pa以上。而为了获得和保持这样的真空度在真空度达到要求后常用吸气剂来保持。通常用于低温装臵的吸气剂有活性炭(液氧阀门中除外)和分子筛。为了降低辐射传热,要在真空中安装防辐射屏多层绝热材料由高反射性、低辐射率的屏材料和导热系数低的间隔材料组成用的:铝箔、喷铝涤纶薄膜、铝箔纸、玻璃纤维布纸)尼龙网及丝绸等。影响多层绝热的因素材料及其组合方式、真空度、层密度、总厚度、温度、机械负荷及杂质等。8阀门零部件深冷处低温阀门中一般采用不锈钢材料作壳体而奥氏体不锈钢在低温状态下存在奥氏体组织向马氏体组织转化的倾向体向马氏体转化时就会造成体积的变化从而使得阀门密封面可能失去密封性能而失效。为了降低这种转化,部件在精加工前要进行深冷处理,常采用的方法是在液氮中浸泡1h~2h,并重复2~3次就能满足使用要求。9阀门的试验了保证低温阀安全可靠地运,温截止阀在组装毕后应进行压力和密封试,检验包括阀体与阀联结处在内的整个阀门的耐压及密封性能。壳体进行强度试验时试验过程和程序应符国家相关标准。由于低温阀多采用不锈钢,水压试用水的氯化物含量不应超过5mg/L门组装前水压试验结束后,应对每个零部件彻底洗净并清除渍其中油污含量应符合JB/T《空气分离备表面清洁度》的要求。试验压力为设计压力.5倍,合格标准为在增压过程中无异常响声,无泄漏宏观上不允许有可见的异常变形。压力试验合格后进行密封试验,试验压力为设计压力对阀体,盖的连接以及填料函密封面等处进行检查了检查低温阀门在使用温度下密封及操