低溫截止閥除了應(yīng)滿足一般閥門所具備性能之外,更主要的是在低溫狀態(tài)下保證密封面的封性能,動作靈活,漏熱低等特點，要滿足低溫下所需的機械性能、耐低溫性能,尤其是沖擊功和相對延伸率的要求，與低溫介質(zhì)的相容性，具有相對低的導(dǎo)熱性,即熱導(dǎo)率相對低，在低溫?zé)o油潤滑的情況下具有必需的硬度和耐磨性。
低溫閥是一種在溫度等于或低于120 K的介質(zhì)中工作的閥門。低溫閥除了應(yīng)滿足一般閥門所具備性能之外,更主要的是在低溫狀態(tài)下保證密封面的封性能,動作靈活,漏熱低等特點,而其關(guān)鍵技術(shù)對漏熱的要求。因此根據(jù)絕熱方式的不同,其結(jié)構(gòu)要有堆積絕熱式、高真空絕熱、真空粉末絕熱和高空多層絕熱等多種形式。
低溫截止閥的材料
由于低溫閥工作介質(zhì)的低溫性質(zhì),使低溫閥門對材料有許多特殊要求。
3. 1 材料耐低溫性能
低溫閥不僅要求在低溫下保證正常工作,同時要保證其常溫的工作機械性能,也要滿足低溫下所需的機械性能,尤其是沖擊功和相對延伸率的要求。針對以上要求,為了防止材料在低溫下的低應(yīng)力脆斷,一般多采用奧氏體組織的材料,如:奧氏體不銹鋼鑄件、銅、銅合金、鋁及鋁合金等。這是因為經(jīng)過對低應(yīng)力脆性斷裂特點研究,對金屬斷裂機理進行分析發(fā)現(xiàn),金屬的低溫韌性即缺口尖端處的金屬微觀塑性變形能力是決定設(shè)備抵抗應(yīng)力脆斷破壞的關(guān)鍵。實驗表明,具有面心立方結(jié)構(gòu)的金屬,如銅、鋁、鎳和奧氏體類鋼基本上沒有這種溫度效應(yīng),即沒有低應(yīng)力脆斷。這是因為當溫度降低時,面心立方金屬的屈服強度沒有顯著變化,而且不易產(chǎn)生形變孿晶,位錯容易運動,局部應(yīng)力易于松弛,裂紋不易傳播,一般沒有脆性轉(zhuǎn)變溫度。
3. 2 與低溫介質(zhì)的相容性
材料與低溫介質(zhì)的相容性就是要求材料本身不能與低溫介質(zhì)發(fā)生任何物理化學(xué)變化,不能引起腐蝕及爆炸。如在氧介質(zhì)中工作的材料,不允許使用玻璃鋼作為絕熱材料,也不允許使用活性碳作為吸氣劑,因為它們均能與氧發(fā)生燃燒爆炸。
3. 3 具有相對低的導(dǎo)熱性,即熱導(dǎo)率相對低
低溫截止閥輸送的介質(zhì)溫度低,介質(zhì)成本高,而且介質(zhì)的突然汽化也會給設(shè)備的安全運行帶來極大危害。所以低溫截止閥對漏熱的要求較高。為了降低傳熱,在合理選擇絕熱的前提下,應(yīng)盡量采用熱導(dǎo)率相對低的材料,以降低低溫介質(zhì)的蒸發(fā)量。
3. 4 在低溫?zé)o油潤滑的情況下,具有必需的硬度和耐磨性
閥門依靠閥桿的運動開啟和關(guān)閉,閥桿傳遞的作用力又使密封面達到一定的密封力。這就要求制作截止閥零部件的材料必須有一定的硬度和耐摩性。鋁和鋁合金在低溫截止閥中的使用有一定的限制,主要是因為硬度不夠,會導(dǎo)致密封表面比鋼和黃銅失效得更快[1]。 目前使用較多的金屬材料有:不銹鋼、銅合金、鋁合金、鎳合金等;非金屬材料有:玻璃鋼、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺、石棉繩、橡膠等,其中玻璃鋼大多作為熱橋零件,而聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺多作為密封面材料,石棉繩、橡膠、填料等多作為閥桿密封材料。
4 低溫截止閥的密封
低溫介質(zhì)的成本以及危害性等特點,使低溫閥門的密封設(shè)計在整個設(shè)計過程中占有相當重要的位置要求在一定工作條件下不能泄露,低溫截止閥的密封要包括閥桿密封和密封面密封。
4. 1 閥桿密封
目前低溫截止閥的閥桿密封有填料函和波紋管兩種其中在成批生產(chǎn)的空氣分離裝置上的閥門,其閥桿多采用填料函密封結(jié)構(gòu)。在有毒易燃易爆氣體介質(zhì)中工作的閥門,閥桿可以采用波管密封,但在大于等于80MPa的高壓氣體中,由波紋管不能承受如此高的外壓,只能采用填料函密封填料函密封由于制造加工簡單、維修更換方便在實際生產(chǎn)中應(yīng)用相當普遍。但是為保證填料的密性能,其工作溫度一般不能低于-40℃,這就要求低溫閥門上工作的填料函裝置應(yīng)盡量在接近環(huán)境溫下工作。通常情況下,填料不結(jié)霜即認為其處于正的工作狀態(tài),但如果由于填料本身或工作壽命的原使填料不密封,則低溫氣體通過填料就會造成泄漏并使填料函冷凍結(jié)霜,又會造成填料的進一步泄漏失效。在航天領(lǐng)域應(yīng)用的很多低溫閥門系列中,由于成原因大多采用了填料函密封結(jié)構(gòu),而為了確保閥桿填料函的溫度,均采用了加長閥桿長度的方法,所造成這些低溫閥的尺寸均比較大。
波紋管密封截止閥多用于介質(zhì)不允許微量泄漏和不適填料的場合。在波紋管的設(shè)計中,其壽命是關(guān)鍵,波紋管的壽命與其行程大小和初始安裝狀態(tài)有關(guān)。保證波紋管截止閥的使用壽命,在行程一定的情況下,安裝波紋時要保證其不承受附加外力的作用;在工作狀態(tài)下由于波紋管承受的是外壓,其工作狀態(tài)較好,但由低溫閥門的快速關(guān)閉或管道中可能存在的氣穴都可能引水擊。因此在波紋管承受的計算壓力時,要加上定的安全系數(shù),并盡可能使波紋管避免直接承受水擊。
4. 2 密封面密封
低溫閥門密封面的結(jié)構(gòu)大體上分為平面、錐面球面、刀形等密封形式。其中平面密封由于加工造簡單應(yīng)用較為廣泛,尤其適合應(yīng)用在大口徑閥門中但由于其平面結(jié)構(gòu)的特點使其密封力比較大,需要操作力也較大。錐面和球面密封副在小口徑閥門中用較為廣泛,有好的應(yīng)用實例。由于是錐面形式,所需密封力和操作力比較小,但在大口徑閥門中很少用,不僅因為其加工制造困難,而且在低溫狀態(tài)下由材料收縮、材料金相組織變化和加工誤差等多種因素作用,使密封面在低溫下容易失去密封性能而造成閥泄漏。
對于制作密封面(閥頭-閥座)的材料,不僅要求其有一定的機械強度,更重要的是要保證較高的表面硬度。密封面的材料一般不采用鋁和鋁合金,因為其硬度太差,通常均采用不銹鋼、銅合金、聚四氟乙烯、增強聚四氟乙烯、聚酰亞胺等材料(聚碳酸脂也可用做密封面材料,但沒有成熟的使用數(shù)據(jù))。隨著發(fā)展,開始嘗試使用增強聚四氟乙烯代替聚四氟乙烯應(yīng)用于低溫截止閥的密封面,且效果也不錯。對以上閥頭-閥座的配對材料中,為了保證密封性能,一定要注意表面粗糙度的選擇。
5 摩擦副的設(shè)計
低溫閥門經(jīng)常使用的殼體和閥桿材料主要是0Cr18Ni9不銹鋼材料。不銹鋼材料在低溫下的總體機械性能得到了提高,只是δ5、AKV值有所降低,且在常溫狀態(tài)下摩擦部分極易出現(xiàn)咬死現(xiàn)象。低溫閥中摩擦副將嚴重影響整個閥門工作的可靠性,且為了防止污染低溫介質(zhì),不允許使用防止零件磨損和咬死的潤滑劑。低溫閥門在常溫狀態(tài)工作時,為確保不出現(xiàn)咬死現(xiàn)象,應(yīng)選用不同材料或把摩擦副材料的硬度錯開。
在實際設(shè)計中,通常采用0Cr18Ni9-黃銅,但0Cr18Ni9-2Cr13摩擦副較好不要相配合。
6 閥門的漏熱
在低溫閥門中,由于介質(zhì)成本較高,閥門漏熱是關(guān)鍵問題。通過閥門的漏熱主要有2部分:通過閥門殼體的漏熱和機械構(gòu)件的漏熱。