液氧調(diào)節(jié)閥閥芯失效分析及解決方案

空分系統(tǒng)中的氧泵液氧調(diào)節(jié)閥閥門前、后壓差較大，處于較嚴(yán)重的閃蒸與汽蝕工況。因此，閥芯采用的是2級(jí)多孔式套筒減壓結(jié)構(gòu)。在開車使用過程中，由于汽蝕的影響，閥門振動(dòng)較大，閥芯在某些局部部位經(jīng)常發(fā)生沖刷損壞和啃傷，zui終導(dǎo)致閥門不能起到調(diào)節(jié)作用，且無法正常關(guān)閉，閥門的控制功能失效，對(duì)裝置的安全生產(chǎn)運(yùn)行帶來了不利的影響。

1 閥芯失效原因分析

1.1 原閥芯結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)閥用于液氧工況下，使用溫度在－185℃左右。在此工況下，很多材料呈現(xiàn)出高強(qiáng)度和脆性，閥門內(nèi)件一般使用奧氏體不銹鋼或高溫合金鋼和鋁合金材料。液氧調(diào)節(jié)閥原結(jié)構(gòu)如圖1所示，閥芯是2級(jí)多孔式套筒結(jié)構(gòu)。閥芯包括主閥芯和輔助閥芯，輔助閥芯通過彈簧和碟簧復(fù)位，在調(diào)節(jié)過程中始終處于全開狀態(tài)，帶動(dòng)主閥芯一起動(dòng)作。

圖1 液氧調(diào)節(jié)閥閥芯結(jié)構(gòu)

在主閥芯和套筒之間有一道密封，采用剛度大，導(dǎo)向性能好的高溫合金材料，例如INCON718等鎳基合金。調(diào)節(jié)閥套筒材料為316奧氏體不銹鋼材料，主閥芯和輔助閥芯同樣采用316奧氏體不銹鋼材料，閥桿采用Ni－Cr高溫合金鋼A286。

1.2 失效情況及原因分析

閥芯損傷部位如圖2所示。

圖2 閥芯損傷部位

從多臺(tái)閥門的閥芯拆解檢修中主要發(fā)現(xiàn)如下問題：

1）主閥芯靠近閥座密封面附近有多處汽蝕損傷。主要原因是由于閥門處于小開度下壓差較大，閥門發(fā)生汽蝕，并可能伴隨較大振動(dòng)和噪音。

2）主閥芯密封環(huán)處發(fā)生啃傷。汽蝕、閃蒸工況引發(fā)了閥門的振動(dòng)，密封環(huán)的材料是高溫合金（鎳基合金），強(qiáng)度和硬度均大于316材質(zhì)的閥芯。尤其在低溫下，硬度增加后脆性增大，長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)后導(dǎo)致脆裂。脆裂后的密封環(huán)碎片使閥芯啃傷。

3）套筒導(dǎo)向內(nèi)壁啃傷。此處正是和主閥芯密封環(huán)接觸的位置，且材料同樣是316，和第2條的形成原因類似，長(zhǎng)期振動(dòng)造成了密封環(huán)脆裂，進(jìn)而造成了此處的啃傷破壞。

2 解決方案

由于閥芯失效的主要原因是主閥芯、套筒受到來自密封環(huán)碎片的啃傷，而密封環(huán)脆裂是在低溫的環(huán)境中由于長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)所致。鑒于此，提供更換主閥芯密封環(huán)材質(zhì)和對(duì)主閥芯進(jìn)行設(shè)計(jì)改造兩種解決方案。

2.1 方案一

更換新的主閥芯密封環(huán)，原密封環(huán)為高溫合金材料，可采用聚四氟乙烯（PTFE）材質(zhì)。理由如下：

1）原高溫合金密封環(huán)在液氧工況下，強(qiáng)度和硬度大幅增大，導(dǎo)致主閥芯和套筒導(dǎo)向段嚴(yán)重?fù)p傷，并且自身發(fā)生斷裂破壞，影響閥門正常運(yùn)行。

2）PTFE材料在低溫下具有良好的機(jī)械韌性，即使溫度下降到－196℃，也可保持5%的伸長(zhǎng)率。

3）閥門長(zhǎng)期處于小開度下工作，并發(fā)生了汽蝕，導(dǎo)致閥門振動(dòng)增大，在不改變閥門整體結(jié)構(gòu)的前提下，小開度和汽蝕不可避免的會(huì)發(fā)生，采用PTFE密封環(huán)，其柔性大，可在一定范圍內(nèi)抑制振動(dòng)，減小噪音。

此方案已得到實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

2.2 方案二

鑒于導(dǎo)致主閥芯密封面和套筒內(nèi)壁啃傷的主要原因是密封環(huán)，可取消密封環(huán)結(jié)構(gòu)，同時(shí)取消主閥芯與輔助閥芯之間的卡簧連接，采用壓塊—螺釘連接。改造前后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，去掉了主閥芯與套筒之間的密封環(huán)，同時(shí)去掉了主閥芯與輔助閥芯之間的卡簧連接，增加了一個(gè)壓塊，使主閥芯和輔助閥芯之間通過壓塊形成螺釘連接，新結(jié)構(gòu)和原結(jié)構(gòu)相比，消除了密封環(huán)脆裂帶來的閥芯、套筒啃傷，可靠性得到提高。

圖3 原結(jié)構(gòu)和改造后的新結(jié)構(gòu)對(duì)比

保證新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的碟簧壓縮量一致，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行螺釘強(qiáng)度校核。根據(jù)測(cè)繪結(jié)果，原始結(jié)構(gòu)中單個(gè)碟簧高為2.5mm，預(yù)壓縮后6個(gè)碟簧的總高為14mm，則碟簧組件的預(yù)壓縮量為1mm。根據(jù)GB/T1972—2005碟簧標(biāo)準(zhǔn)要求，由碟簧計(jì)算公式：

    （1）

    （2）

    （3）

式中：F—單片碟簧的負(fù)荷，N；

E—彈性模量，根據(jù)GB/T1972—2005，E＝206000N/mm²；

t—厚度，單個(gè)碟簧的厚度實(shí)測(cè)值為1.5mm；

μ—泊松比，根據(jù)GB/T1972—2005，取值為0.3；

D—碟簧的外徑，實(shí)測(cè)值為39.8mm；

d—碟簧的內(nèi)徑，實(shí)測(cè)值為20.6mm；

K₁—計(jì)算系數(shù)，按式（2）計(jì)算；

K₄—計(jì)算系數(shù)，根據(jù)GB/T1972—2005，無支撐面彈簧，取值為1；

f—單片碟簧的變形量，實(shí)測(cè)得1/6mm；

h₀—無支撐面碟簧壓平時(shí)變形量的計(jì)算值h₀＝H₀－t，mm；

H₀—單片碟簧的自由高度，實(shí)測(cè)值為2.5mm。

算得碟簧的受力為680N。設(shè)計(jì)采用8－M4mm的螺栓替換碟簧，則單個(gè)螺栓受力F為85N。對(duì)單個(gè)螺栓，有：

    （4）

式中：A—螺栓截面積，mm²，按受力截面直徑3.3mm計(jì)算。

遠(yuǎn)小于材質(zhì)為316的單個(gè)螺栓的許用應(yīng)力135MPa。改造后的新結(jié)構(gòu)得到了實(shí)際應(yīng)用，使用效果良好。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過更換主閥芯密封環(huán)或?qū)⒅鏖y芯與輔助閥芯之間用連接螺栓連接的改進(jìn)后，可以有效地避免閃蒸和汽蝕帶來的振動(dòng)對(duì)閥芯的破壞。解決了由于密封環(huán)脆裂帶來的閥芯啃傷導(dǎo)致失效的問題，提高了閥門的可靠性，延長(zhǎng)了閥門使用壽命。