阀门 > 资源 > 阀门应用 > 正文
资源

航天阀门中零泄漏金属波纹管动密封技术及其新应用

来源: 上海阀门 时间: 2012-06-01 点击: 5,913

1.前言

零泄漏的金属波纹管动密封技术不仅是液体火箭发动机阀门的关键技术,也是各行各业(航天、航空、舰艇、石油、化工等)使用阀门的关键技术。特别是在低温、高温、高压、有毒、有腐蚀性的介质中使用的阀门,确保在阀门开关调动作中零泄漏,是阀门研制、设计、使用的难点和关键。也是确保航天液体火箭发动机系统、航空、舰艇、石油、化工等介质输送系统、各行各业系统工作安全可靠的难点和关键,由于金属波纹管动密封技术能实现动密封的零泄漏,机械式动密封难于实现零泄漏,所以中国、美国、俄罗斯、西欧、日本等国家都在航天技术阀门领域、阀门技术领域都进行了金属波纹管动密封技术的大量研究和应用。

我国从20世纪70年代开始,航天的液体火箭发动机阀门开始使用了金属波纹管动密封技术,特别是液氢液氧火箭发动机阀门采用了金属波纹管动密封技术后,取得了多个型号火箭发动机阀门研制成功。从1976年开始至今30多年来,4个型号液氢液氧火箭发动机的多种阀门中采用金属波纹管从8种已增加到了28种,零泄漏的金属波纹管动密封在液氢液氧火箭发动机阀门使用中,已占据了相当重要的位置。

30多年来液氢、液氧火箭发动机阀门研制经历,充分证明:采用金属波纹管动密封技术是确保低温、高压、高温的火箭发动机阀门零泄漏动密封关键技术,是最有效、最可靠的阀门动密封技术。

2.金属波纹管动密封原理

2.1 金属波纹管动密封的结构构成

阀门中的金属波纹管动密封是通过金属波纹管组合件实现动密封作用的,金属波纹管组合件一般由金属波纹管、法兰连接件、盖连接件组成,最简单的波纹管组合件结构图见图1。

金属波纹管组合件的结构图

金属波纹管:靠波纹管弹性薄板材料的强度和弹性,在金属波纹管组合件中与阀门头一起移动时进行拉伸或压缩,阻隔气控腔和介质腔之间的泄漏,起零泄漏动密封的作用,并承受着介质腔和气控腔的压力差的作用。最常用的波纹管形式是多层U型金属波纹管,图2是常用的三层U型金属波纹管的剖视立体图。

法兰盘连接件:金属波纹管组合件靠它与阀门壳体连接成一体。

盖连接件:它与阀门头直接或间接相连,靠气控或介质压力的驱动,使阀门头移动起开、关、调节作用。

3个金属零件之间连接方法:手工或自动氩弧焊焊接、电子束焊焊接、锡焊焊接等。

三层U型金属波纹管剖视立体图

2.2 金属波纹管的特性

阀门的动密封性能是靠金属波纹管组合件中的金属波纹管的性能和特性保证的。

金属波纹管是由单层或多层薄壁管材液压而成,在航天领域中多采用2层或3层U型的不锈钢OOCrl7Nil4Mo2和高温合金GH4169材料的波纹管,它具有如下的优良特性:

(1)是一个又能压又能拉的双向机械弹簧

大量试验证明,一个金属波纹管同时具有压缩弹性和拉伸弹性,一般阀门用的金属机械弹簧大多都是单向的压缩弹簧,而金属波纹管,在有效的压缩和拉伸范围内,是一个又能压又能拉的双向机械弹簧。

普通不锈钢波纹管的压缩拉伸刚度曲线见图3,GH4169波纹管的压缩拉伸刚度曲线见图4、5。

不锈钢波纹管的压缩拉伸刚度曲线
GH4169波纹管的压缩拉伸刚度曲线
GH4169波纹管的压缩拉伸刚度曲线

(2)金属波纹管在有效的行程范围内,靠波纹管金属波纹结构的拉压弹性,在有压力作用的情况下,波纹管组合件既能受外压力压缩,又能受内压力伸长,实际上是一个既能收缩又能伸长的压力容器。见图6。

波纹管的3种状态示意图

(3)金属波纹管既能承受内压作用也能承受外压作用,对于3层u型的不锈钢OOCrl7Nil4M02或高温合金GH4169材料的波纹管,一般能承受20-30MPa的内压或外压,不失稳。

(4)能在低温(-253℃)、高温(+500℃)下工作。

(5)动作寿命在工作压力O.5MPa下一般大于2万次,随着工作压力的提高动作寿命要下降。

2.3 金属波纹管动密封原理

金属波纹管组合件利用波纹管的能压缩能拉伸具有拉压弹性的特点,使波纹管的一端与移动的阀头相连,另一端与固定不动的阀壳体相连,构成动的运动副(见图8)。靠波纹管本身的弹性变形实现阀头的移动,靠波纹管的管壁金属材料强度承受控制腔和工作腔的压力差,阀头运动前、运动中、运动后靠波纹管保证运动副之间即控制腔和工作腔之间的零泄漏。在阀头的移动全过程,靠金属波纹管动密封实现运动副之间不接触、无摩擦、没磨损。

金属波纹管动密封的关键部位是能压缩拉伸变形的金属波纹管。见图7。金属波纹管的密封性能就决定了阀门的动密封性能。

机械式动密封是靠活塞槽中的非金属密封件与金属壳体壁面之间的压缩接触面,产生接触压应力(见图8、图9),阻止由压缩接触面隔开的控制腔和工作腔之间的压差泄漏,这个压缩接触面的密封能力与非金属密封件和金属壳体的材料、表面硬度、表面粗糙度、尺寸、控制腔和工作腔之间的压差等因素有关,压缩接触面上的压应力是有限的,当压应力小于控制腔和工作腔之间的压差就会发生泄漏,随着压差越大泄漏就越大,现在世界上任何一种机械式动密封难于做到零泄漏,而且运动副之间有接触、有摩擦、有磨损,随着压应力越大摩擦、磨损就越大。

机械式动密封的关键部位是运动的密封件与不动的壳体之间的环形接触面,见图9,这个接触面的密封性能就决定了阀门动密封性能。

有金属波纹管动密封的2种气控阀用例原理图
采用机械式动密封的气控阀用例示意图
2种常用机械式动密封的密封原理示意图

金属波纹管动密封与机械式动密封的性能比较见表1

表1 金属波纹管动密封与机械式动密封的性能比较
序号 比较项目 金属波纹管式动密封 非金属垫片活塞式动密封
1 简图
2 密封机理 靠金属波纹管隔离气腔和介质腔,起密封作用;靠波纹管变形满足位移要求。 靠压紧非金属垫圈与壳体壁面的接触面产生压应力,阻隔气控腔和介质腔之间泄漏。靠非金属垫圈与壳体壁面摩擦运动产生位移。
3 密封的关键部位 金属波纹管 接触面
3 密封效果 零泄漏 有泄漏
4 使用寿命 高(大于20000次) 低(小于2000次)
5 运动副有无接触
6 有无摩擦
7 有无磨损
8 有效行程 中等(4-15mm左右)
9 液氢液氧下的性能 材料强度增加;零泄漏的密封性能不变 非金属密封件变硬,尺寸缩小,密封性能下降,泄漏量加大
10 结构简易 相对复杂 简单
11 密封可靠性

从表1的比较结果看,金属波纹管动密封性能大大优于机械式动密封性能。

3.金属波纹管组合件加工

常用的金属波纹管组合件,有不锈钢OOCr17Nil4Mo2波纹管组合件和合金钢GH4169波纹管组合件,它们的工艺加工过程大同小异,不同的是金属波纹管组合件焊后热处理方法不同,OCr17Nil4Mo2即316L不锈钢波纹管组合件焊后不用时效处理,而GH4169波纹管组合件在固溶状态焊接后需要时效处理提高波纹管的强度,同种材料的GH4169波纹管组合件必须在固溶状态下焊接,否则会发生裂纹,GH4169波纹管组合件加工工艺主要内容见图10。

GH4169金属波纹管组合件主要工艺技术内容简图

4.金属波纹管组合件试验

通过机械加工和焊接的金属波纹管组合件,还不能直接安装在阀门里使用,因为在多工序的工艺过程中,管壁材料在焊接、机械加工、工序周转中还可能会发生划伤、碰伤等质量问题,必须经过一系列的试验,证明金属波纹管组合件是符合图纸要求的合格品,才能安装在阀门中使用。金属波纹管组合件主要试验内容见表2。

表2 金属波纹管组合件主要试验内容
序号 检查数量 检查内容 说明
1 逐件检查 灵活性 大于3次
2 空气气密性 试验压力同工作压力
3 氦气检漏 按有关标准进行
4 测量刚度 按图纸要求
5 抽一批产品的5%;但不小于3件 X光检查或剖切焊缝 检查焊缝质量
6 强度检查 试验压力为工作压力的1.2~1.5倍

5.金属波纹管动密封在我国火箭发动机阀门中的新应用

近年来在航天液体火箭发动机阀门中有如下的新应用:

5.1 新式双曲率肋式波纹管稳压器

北京航天动力研究所于1985年就获得了国家发明专利“双曲肋式波纹管”见图11、12,并研制成功了肋式波纹管稳压器,见图13。

新式双曲率肋式波纹管与单曲率的U型波纹管的不同是:

(1)在波纹管的轴线上有U型的曲线变形,在波纹管的沿圆周方向均匀排列的凹形“肋”曲线变形,波纹管的壁面是双曲率变形结构;

(2)肋式波纹管由专用夹具两次液压加工成型,波纹管管壁受到两次拉伸、两次冷作硬化;

新式双曲率肋式波纹管与单曲率的U型波纹管在性能上相比,具有稳定性好、刚性好、承压能力高、残余变形小等优点。它可以用来代替膜片,作为调节器的压力敏感元件使用。

新式双曲率肋式波纹管组合件装在液体稳压器后,进行了多台的空气、水、液氢、液氧的试验,列举其中单台产品的试验曲线见图14、15。

肋式波纹管稳压器空气、水特性试验曲线
肋式波纹管稳压器液氢、液氧特性试验曲线

从试验结果说明双曲率肋式波纹管稳压器,具有良好的稳压调节性能、进回程差小、动态稳定性好,能在空气、水、液氢、液氧中使用,但缺点是波纹管成型复杂、成本高。

5.2 S 型波纹管液氧流量调节器

北京航天动力研究所于1994年就开始研制国家批准的“高压S型波纹管动密封”

立项专题,S型波纹管由北京航天动力研究所设计、沈阳仪表科学研究院加工成型,2002年研制成功了S型波纹管液氧流量调节器。2005年液氧流量调节器获国家发明专利和国防二等科技奖。

S型波纹管与U型波纹管相比具有承压能力高、s型波纹管壁受力均匀、残余变形小、使用寿命长等优点。特别适用于内腔压力高、行程小的工况下使用。外径38mm、内径26mm、4层每层壁厚0.17mm、3个波、材料为GH4169的S型波纹管可以承内压30MPa,行程1mm,寿命大于20000次。

S型波纹管用在液氧流量调节器的阀前抬座动密封结构中,利用抬座动密封结构的阀座和阀门球之间的缝隙,可使本阀做为系统的初级流量阀门使用,又可以使阀门相对阀座无接触无摩擦的转动,可以做到壹阀两用,这属国内首创。液氧通过S型波纹管液氧流量调节器抬座缝隙的流量系数μF值试验曲线见图18。

999# S型波纹管液氧流量调节器缝隙液氧值试验曲线

5.3 U型波级管高温燃气阀

北京航天动力研究所从2001年就开始研制U型波纹管高温燃气阀,2005年申报了国家发明专利,经过大量试验,高温试验、已成功地用于系统中。

高温燃气阀u型波纹管所用材料为GH4169。经过2台产品高温试验,U型波纹管能承受内压3MPa,承受外压7MPa,动作500次、动作间隔2s,在燃气温度540℃下,工作4000秒后,U型波纹管完好无损。

6.金属波纹管动密封在国外火箭发动机上的应用

美国、俄罗斯、西欧、日本等国家都进行了金属波纹管动密封技术的研究和应用,国外采用了金属波纹管动密封技术的液体火箭发动机阀门。

7.结论

(1)金属波纹管动密封相对机械式密封,具有零泄漏、不接触、无摩擦、没磨损等优点,在低温技术领域中是最可靠、最安全的阀门动密封;

(2)金属波纹管动密封不仅可用于液氢液氧火箭发动机阀门,也可应用于一般液体火箭发动机阀门,不仅可用于国防(火箭、导弹、舰艇、原子能)阀门,也可用于民用(石油、化工、水力、煤炭)阀门中实现零泄漏;

(3)除在低温技术领域外、在特殊工况下的高温、有毒、腐蚀等介质阀门中使用时,金属波纹管动密封也是最可靠、最安全的动密封;

(4)双曲率肋式波纹管和S型波纹管是两种有使用价值和有应用前途的阀门零泄漏动密封元件。

天沃-丝扣球阀,与您资料共享!

go top