直流式液氢截止阀研制.pdf

文章编号 100225855 2008 0520005203 作者简介路兰卿1974 - ,女,副高级工程师,主要从事压力容器、阀门、压力管道等产品的设计研究。 直流式液氢截止阀研制 路兰卿,何常青,张翼 北京航天试验技术研究所,北京100074 摘要 介绍了新型氢氧火箭发动机试验系统的液氢主管道用DN250直流式截止阀的结构特 点和性能参数,提出了低温阀门、漏热、阀颈长度和密封等技术问题的处理方法。 关键词 截止阀;液氢;低温;漏热;密封 中图分类号 TH134 文献标识码 A Development of oblique type liquid hydrogen globe valve LU Lan - qing , HE Chang - qing , ZHANG Yi Beijing Institute of Aerospace Testing Technology , Beijing 100074 , China Abstract The paper introduces structure characteristics and perance parametersof DN250 oblique type liquid hydrogen globe valve used for liquid hydrogen main pipelines in the test system of new type hydrogen - oxy rocket engine , proposes handling s for some technical problems , such as for low temperature valves , leakage of heat , the length of valve neck , sealing and so on. Key words globe valve ; liquid hydrogen ; cryogenic; leakage heat ; sealing 1 概述 随着国家对新型氢氧火箭发动机研制的深入, 对其发动机试验系统的液氢储存容器加注液氢的主 管路用低温阀门也提出了更多的要求。根据需要研 制了PN10 - DN250直流式截止阀。该阀经过试验 验证,达到了设计要求。 2 技术参数 公称直径 250mm 公称压力 110MPa 工作介质 液氢 工作温度 - 253℃ 传动方式 气动 气源压力 510015MPa 流道形式 直流 绝热形式 高真空多层 与管道连接形式 焊接 真空 110 - 3Pa 3 结构特点 DN250直流式截止阀由外壳、真空腔、缠绕 层、阀体、阀盖、阀杆和阀瓣等组成图 1 。为 了控制整个发动机试验管道系统的总阻力,截止阀 流道采用了直流式,即阀门的进口与出口在同一轴 线上,且阀杆与流道成45 夹角。由于截止阀尺寸 较大,其外表面积也较大,则漏热量也高。为了降 低漏热量,绝热形式采用了高真空多层结构,即通 过在内外阀体的夹层抽成真空,降低对流传热。为 了减少辐射传热,外壳的内表面和阀体的外表面都 进行了抛光处理,并且在阀体的外壁缠绕了多层反 射材料。由于外壳与阀体内外温度的差异,采用导 热系数小的环氧玻璃钢作为支撑。在连接形式上, 采用了阀门和管道直接焊接连接的结构,减少了泄 漏点,其中吸气剂采用分子筛,并将分子筛安装在 内管外壁上,这样阀门与管道形成一个整体,与管 道一起抽真空。阀门加工完成以后, A腔用氮气置 换。这样在阀门工作过程中,可以防止空气中的水 蒸汽结霜造成下波纹管不能正常工作。其中上波纹 管和F4垫隔绝了空气由上端进入系统的通道,下 波纹管阻挡了液氢向外泄漏的可能,这样不仅降低 了系统的整个漏热率,同时由于没有液氢的泄漏, 使设备能够更安全的运行。 52008年第5期 阀 门 4 设计 411 真空绝热 传热有三种方式,即对流、辐 射 和 传 导。 DN250截止阀为降低低温介质的蒸发量,同样也 要通过降低这三种传热方式来改善。 11 外壳 21 缠绕层 31 阀体 4、101 环氧玻璃钢 51 温度补偿器 61 阀杆组件 71 阀盖组件 81 上波纹管 91 下波纹管 111 阀瓣导向件 图1 DN250液氢阀门结构 1降低气体分子的对流传热 气体的对流传热是依靠分子之间的碰撞进行 的。为了降低对流传热,在外壳与阀体之间抽真 空,降低气体分子碰撞的概率。一般把绝热空间的 真空度控制在110 - 3Pa 以上。 2降低绝热空间的辐射传热 对于单纯高真空绝热容器或大口径的低温设 备,辐射传热量QF较大。 QFC0εnF1 T2 100 4 - T1 100 4 F1 - 21 式中 QF 高温面传向低温面的净辐射热, W C0 黑 体 的 辐 射 常 数C0 5167 10 - 8 , W/ m 2 K4 εn 有效辐射系数 F1 低温面的面积, m2 T2、T1 高、低温表面的温度, K F1 - 2 冷表面对热表面的辐射角系数 冷表面被热表面包围时,F1 - 2 1 在真空阀门中,辐射传热是漏热的主要因素之 一。为了降低辐射传热,可以在阀门外壳的内壁和 阀体的外壁进行抛光,并在阀体的外壁缠绕多层防 辐射屏,降低辐射传热。常用的多层绝热材料有铝 箔、喷铝涤纶薄膜、铝箔纸、玻璃纤维布纸、 尼龙网和丝绸等。影响多层绝热的因素有材料及其 组合方式、真空度、层密度、总厚度、温度、机械 负荷及杂质等 〔1〕。在 DN250截止阀中,考虑到材 料成本,采用了聚酯薄膜缠绕材料。 3降低机械构件的传导传热 低温装置中的机械构件传导传热有两种情况, 一种是没有冷气冷却的构件,一种是有冷气冷却的 构件。 DN250截止阀由于采用的是波纹管密封,阀 杆的传导传热属于没有冷气冷却的构件,玻璃钢支 撑件也属于这种情况。构件传导传热量QJ为 QJ A L∫ T2′ T1′ λ TdT2 式中 QJ 构件传热量, J A 截面积, cm2 L 构件长度, cm λ T 构件材料的导热系数, W/ cm ℃ T1′ 、T2′ 冷、热端温度, K 降低机械构件的传导热量,通常采取的办法是 在阀杆满足其强度和刚度的前提下,加长长度,减 小截面积,同时也可以采取把阀杆分为若干段增大 接触热阻或者在段与段之间加装隔热垫。在 DN250截止阀中采取了阀杆分段和加装隔热垫的 办法,从而在降低传导热的同时,也确保填料的正 常工作温度。对于支撑件,采用了导热系数为 0125～0145W/ m K 〔2〕 的环氧玻璃钢作为支撑。 阀颈部位是有冷气冷却的构件,颈管的传热情 况比较复杂,其包括冷、热两端之间的热传导、冷 蒸汽与颈内壁的对流换热、颈管外壁与绝热层之间 的换热以及通过颈管口对液体的辐射传热等 〔1〕。 所以精确计算颈管的传热是很困难的。在工程上阀 6 阀 门 2008年第5期 颈长度估算值为 L 3197λDcpb Fc 3 式中 L 导热段长度, mm Dcp 阀颈内壳体平均直径 Dcp 322 , mm b 阀颈厚度b 12 , mm Fc 与空气直接进行热交换的外表面积 Fc 121960 , mm2 数值代入式 3 , L 1372mm ,根据经验分 析,L值比实际值偏大。参照国外的经验公式 该公式适用于填料不结霜工况 L 1 w ln -2 T e- T04 T e- T0 2 -4 T - T0 2 2 T - Te 4 w αp λS α f γ真空绝热f≈0,αγ γ4 1 t 100 a 式中 a 长颈外管的放热系数a 01 7 t 长颈管的平均温度和环境温度的平均 值,℃ tTcTe Tc 长颈管的平均温度,℃ TcTwTn Tw 管外平均温度Tw 5 ,℃ Tn 管内平均温度Tn - 253 ,℃ Te 环境温度Te 12 ,℃ T0 介质温度T0 - 253 ,℃ T 填料部位要求的温度T 5 ,℃ p 长颈外周长, m S 长颈截面积, m2 γ 环境辐射热系数 f 环境对流传热系数真空时,f 0 将各数值代入式 4 , 得L 01639m 由式4计算的结果数值偏小。经过综合分 析计算结果和其他相关资料的数据,颈管长度取 900mm。 412 密封结构 1阀座密封 阀门的密封面型式有平面、锥面、球面和刀形 结构等 〔4〕。由于阀门使用在液氢工况中 ,温度很 低 - 253℃ , 如果采用锥面或球面密封结构,材 料在低温时产生收缩变形,在阀门恢复常温后可能 造成阀门卡塞现象,影响阀门正常操作,所以采用 了平面密封。考虑到阀门口径大,工作行程长,为 了达到密封要求,必须使阀瓣在每次运动时密封面 的位置重合,因此在阀体密封面位置设计了阀瓣导 向机构。 为了保证密封,密封面上的比压qMF必须达到 一定值。 qMF CKP bM 式中 C 与密封面材料有关的系数 K 给定密封面材料条件下,考虑介质压 力对比压值的影响系数 P 介质压力, MPa bM 密封面宽度, m 对于金属材料来说,在各项指标相同时,系数 C相对大,所需必须密封比压也大,则所需的操 作力也大。为了减小阀杆的截面尺寸降低漏热,并 使阀门在相同操作力下易于密封,阀座材料选用了 增强F4作为密封材料。经过常温和低温试验,阀 门达到了密封要求。 2阀杆密封 阀杆密封有填料函式密封和波纹管密封两种。 填料函密封相对于波纹管密封来说,成本相对低 廉,更换比较容易。但是填料的工作温度不能低于 - 40℃。针对DN250截止阀的实际工况条件,采 用了波纹管密封。波纹管安装在阀杆的上下两端。 下端波纹管用来防止液氢外泄,上端波纹管用来防 止空气进入造成波纹管的结霜或引起爆炸。两个波 纹管的变形总和即为阀门的工作行程。由于阀门口 径大,工作行程长,为了保证其使用寿命,安装波 纹管时要求其不承受附加外力的作用,并应防止阀 杆转动。由此在阀杆结构设计时,设计了防转结构 来保证波纹管不承受扭转力矩,同时为了保证阀杆 运动平稳又在阀杆中间位置设计了支撑导向件。 5 温度补偿 阀门输送的介质为- 253℃ 的液氢,而外壳温 度为常温。当阀门工作时,由于内外壳体的温度差 异就会存在温度应力从而产生温度变形导致真空破 下转第40页 72008年第5期 阀 门 蝶板材料,没有发现严重的腐蚀,但国内的316L 材料在海水中发现过严重腐蚀。选用这种设计将大 大降低阀门的采购成本。在钛板热交换器附近以及 腐蚀特别严重的的场合对于存在电偶腐蚀和空蚀严 重的位置,但系统要求不高,失效不会导致严重后 果的场合,建议选择蝶板和阀体衬胶的阀门成本 低。对于存在电偶腐蚀及空蚀、选择性腐蚀比较 严重的位置,且系统要求较高,失效会导致严重后 果的场合,建议选择蝶板254SMO 或双相不锈 钢、阀体衬胶的阀门成本高。对于存在电偶腐 蚀及空蚀、选择性腐蚀比较严重的位置,且系统要 求较高,有RCC - M制造要求的阀门,建议选用 蝶板铝青铜 HALAR涂层、阀体衬胶的阀门。 参考文献 〔1〕 冈毅民.中国不锈钢腐蚀手册 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1992. 〔2〕 杨文斗.反应堆材料学 〔M〕.北京机械工业出版社, 2000. 〔3〕 中国科学院金属研究所沈阳中科腐蚀控制工程技术中心.蝶 板腐蚀原因分析 〔Z〕. 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AMRI 收稿日期 20081081 07 上接第7页 坏。所以为了保证阀门正常工作,在外壳体上设 置了波纹管用来平衡和消除由于温度变化而引起 的内外壳体变形。变形量根据3/ 1000mm的试验 数据确定,从而选定波纹管的规格。 6 阀门零部件的深冷处理 阀体材料采用了0Cr18Ni9奥氏体不锈钢, 该类材料在低温状态下存在着奥氏体组织向马氏 体组织转化的倾向 〔5〕, 当奥氏体向马氏体转化 时就会造成体积的变化,从而使得阀门密封面有 可能失去密封性能而失效。为了降低在工作状态 的这种转化量,其零部件在精加工前进行了深冷 处理。通常采用的方法是在液氮中浸泡1～2h , 并重复2～3次,满足使用要求。 7 结语 DN250液氢截止阀加工组装后,根据相关 标准的要求进行了强度试验和密封试验,产品试 验过程中无泄漏和异常变形等,满足了设计要 求。 该阀已申报专利申请号 2007201863261 3 。 参考文献 〔1〕 徐烈,等.低温容器 设计、制造与使用 〔M〕.北京 机械工业出版社, 1987 , 136 - 157. 〔2〕 〔 苏〕H.T.洛马宁柯,Ю.Ф.库里柯夫.低温阀 〔M〕.北京机械工业出版社, 1990 , 24 - 48. 〔3〕 李珍.液氢活门截止阀设计中的几个问题 〔J〕.低 温工程, 1979 , 2 9 - 10. 〔4〕 陆培文.实用阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版 社, 2002 , 1022 - 1025. 〔5〕 汪谦信.结合SF7 - 14谈超低温球阀 〔J〕.低温工程, 1979 , 4 39. 收稿日期 20081051 26 上接第10页 口流量特性的影响,阀芯顶端不同形状对阀口流 量特性的影响,阀芯与阀座叠合与否对阀口流量 特性的影响,若为带球头的锥阀,球头阀口颈部 长度L对阀口流量特性的影响,阀口开度、背 压对流量特性的影响等。根据实验得知,在选择 阀芯锥度和阀座倒角时,应使角度小一些,且两 者要相等。在相同压差情况下,带球头的锥阀要 比非球头的锥阀流量系数大。阀座无倒角时的流 量系数要比有倒角时的流量系数大。在设计球头 阀口时,球头颈部的长度短一些比较好。 参考文献 〔1〕 王春行.液压伺服控制系统 〔M〕.北京机械工业出版 社, 1989. 〔2〕 杨曙东,李壮云,朱玉泉.水压传动的主要课题与研究 进展 〔J〕.中国机械工程, 1998 , 11 9 1070 - 1073. 〔3〕 雷天觉.液压工程手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 2002 , 988 - 995. 〔4〕 王东.海水液压柱塞泵关键技术及其样机的研究 〔J〕. 华中科技大学学报, 2002. 〔5〕 宋鸿尧,丁忠尧,等.液压阀设计与计算 〔M〕.北京 机械工业出版社, 1982. 〔6〕 杨友胜.新型水压节流阀及水压元件综合性能试验台的 研制 〔J〕.华中科技大学学报, 2003 , 04 . 〔7〕 李壮云.液压元件与系统 〔M〕.北京机械工业出版 社, 2005. 〔8〕 张铁华,杨友胜,等.二级圆锥式节流阀口的设计及试 验研究 〔J〕.液压与气动, 2001. 〔9〕 Water Hydraulics.A technical databook〔M〕.BFPA P82. 〔10〕 What is currently available in the field of water hydraulic 〔C〕. 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