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航天閥門中零泄漏金屬波紋管動密封技術(shù)及其新應(yīng)用

來源: 上海閥門時間: 2012-06-01 點擊: 10,383

1．前言

零泄漏的金屬波紋管動密封技術(shù)不僅是液體火箭發(fā)動機閥門的關(guān)鍵技術(shù)，也是各行各業(yè)(航天、航空、艦艇、石油、化工等)使用閥門的關(guān)鍵技術(shù)。特別是在低溫、高溫、高壓、有毒、有腐蝕性的介質(zhì)中使用的閥門，確保在閥門開關(guān)調(diào)動作中零泄漏，是閥門研制、設(shè)計、使用的難點和關(guān)鍵。也是確保航天液體火箭發(fā)動機系統(tǒng)、航空、艦艇、石油、化工等介質(zhì)輸送系統(tǒng)、各行各業(yè)系統(tǒng)工作安全可靠的難點和關(guān)鍵，由于金屬波紋管動密封技術(shù)能實現(xiàn)動密封的零泄漏，機械式動密封難于實現(xiàn)零泄漏，所以中國、美國、俄羅斯、西歐、日本等國家都在航天技術(shù)閥門領(lǐng)域、閥門技術(shù)領(lǐng)域都進行了金屬波紋管動密封技術(shù)的大量研究和應(yīng)用。

我國從20世紀(jì)70年代開始，航天的液體火箭發(fā)動機閥門開始使用了金屬波紋管動密封技術(shù)，特別是液氫液氧火箭發(fā)動機閥門采用了金屬波紋管動密封技術(shù)后，取得了多個型號火箭發(fā)動機閥門研制成功。從1976年開始至今30多年來，4個型號液氫液氧火箭發(fā)動機的多種閥門中采用金屬波紋管從8種已增加到了28種，零泄漏的金屬波紋管動密封在液氫液氧火箭發(fā)動機閥門使用中，已占據(jù)了相當(dāng)重要的位置。

30多年來液氫、液氧火箭發(fā)動機閥門研制經(jīng)歷，充分證明：采用金屬波紋管動密封技術(shù)是確保低溫、高壓、高溫的火箭發(fā)動機閥門零泄漏動密封關(guān)鍵技術(shù)，是最有效、最可靠的閥門動密封技術(shù)。

2．金屬波紋管動密封原理

2．1 金屬波紋管動密封的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

閥門中的金屬波紋管動密封是通過金屬波紋管組合件實現(xiàn)動密封作用的，金屬波紋管組合件一般由金屬波紋管、法蘭連接件、蓋連接件組成，最簡單的波紋管組合件結(jié)構(gòu)圖見圖1。

金屬波紋管：靠波紋管彈性薄板材料的強度和彈性，在金屬波紋管組合件中與閥門頭一起移動時進行拉伸或壓縮，阻隔氣控腔和介質(zhì)腔之間的泄漏，起零泄漏動密封的作用，并承受著介質(zhì)腔和氣控腔的壓力差的作用。最常用的波紋管形式是多層U型金屬波紋管，圖2是常用的三層U型金屬波紋管的剖視立體圖。

法蘭盤連接件：金屬波紋管組合件靠它與閥門殼體連接成一體。

蓋連接件：它與閥門頭直接或間接相連，靠氣控或介質(zhì)壓力的驅(qū)動，使閥門頭移動起開、關(guān)、調(diào)節(jié)作用。

3個金屬零件之間連接方法：手工或自動氬弧焊焊接、電子束焊焊接、錫焊焊接等。

2．2 金屬波紋管的特性

閥門的動密封性能是靠金屬波紋管組合件中的金屬波紋管的性能和特性保證的。

金屬波紋管是由單層或多層薄壁管材液壓而成，在航天領(lǐng)域中多采用2層或3層U型的不銹鋼OOCrl7Nil4Mo2和高溫合金GH4169材料的波紋管，它具有如下的優(yōu)良特性：

(1)是一個又能壓又能拉的雙向機械彈簧

大量試驗證明，一個金屬波紋管同時具有壓縮彈性和拉伸彈性，一般閥門用的金屬機械彈簧大多都是單向的壓縮彈簧，而金屬波紋管，在有效的壓縮和拉伸范圍內(nèi)，是一個又能壓又能拉的雙向機械彈簧。

普通不銹鋼波紋管的壓縮拉伸剛度曲線見圖3，GH4169波紋管的壓縮拉伸剛度曲線見圖4、5。

(2)金屬波紋管在有效的行程范圍內(nèi)，靠波紋管金屬波紋結(jié)構(gòu)的拉壓彈性，在有壓力作用的情況下，波紋管組合件既能受外壓力壓縮，又能受內(nèi)壓力伸長，實際上是一個既能收縮又能伸長的壓力容器。見圖6。

(3)金屬波紋管既能承受內(nèi)壓作用也能承受外壓作用，對于3層u型的不銹鋼OOCrl7Nil4M02或高溫合金GH4169材料的波紋管，一般能承受20-30MPa的內(nèi)壓或外壓，不失穩(wěn)。

(4)能在低溫(-253℃)、高溫(+500℃)下工作。

(5)動作壽命在工作壓力O.5MPa下一般大于2萬次，隨著工作壓力的提高動作壽命要下降。

2．3 金屬波紋管動密封原理

金屬波紋管組合件利用波紋管的能壓縮能拉伸具有拉壓彈性的特點，使波紋管的一端與移動的閥頭相連，另一端與固定不動的閥殼體相連，構(gòu)成動的運動副(見圖8)?？坎y管本身的彈性變形實現(xiàn)閥頭的移動，靠波紋管的管壁金屬材料強度承受控制腔和工作腔的壓力差，閥頭運動前、運動中、運動后靠波紋管保證運動副之間即控制腔和工作腔之間的零泄漏。在閥頭的移動全過程，靠金屬波紋管動密封實現(xiàn)運動副之間不接觸、無摩擦、沒磨損。

金屬波紋管動密封的關(guān)鍵部位是能壓縮拉伸變形的金屬波紋管。見圖7。金屬波紋管的密封性能就決定了閥門的動密封性能。

機械式動密封是靠活塞槽中的非金屬密封件與金屬殼體壁面之間的壓縮接觸面，產(chǎn)生接觸壓應(yīng)力(見圖8、圖9)，阻止由壓縮接觸面隔開的控制腔和工作腔之間的壓差泄漏，這個壓縮接觸面的密封能力與非金屬密封件和金屬殼體的材料、表面硬度、表面粗糙度、尺寸、控制腔和工作腔之間的壓差等因素有關(guān)，壓縮接觸面上的壓應(yīng)力是有限的，當(dāng)壓應(yīng)力小于控制腔和工作腔之間的壓差就會發(fā)生泄漏，隨著壓差越大泄漏就越大，現(xiàn)在世界上任何一種機械式動密封難于做到零泄漏，而且運動副之間有接觸、有摩擦、有磨損，隨著壓應(yīng)力越大摩擦、磨損就越大。

機械式動密封的關(guān)鍵部位是運動的密封件與不動的殼體之間的環(huán)形接觸面，見圖9，這個接觸面的密封性能就決定了閥門動密封性能。

金屬波紋管動密封與機械式動密封的性能比較見表1

表1 金屬波紋管動密封與機械式動密封的性能比較
序號	比較項目	金屬波紋管式動密封	非金屬墊片活塞式動密封
1	簡圖
2	密封機理	靠金屬波紋管隔離氣腔和介質(zhì)腔，起密封作用；靠波紋管變形滿足位移要求。	靠壓緊非金屬墊圈與殼體壁面的接觸面產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻隔氣控腔和介質(zhì)腔之間泄漏?？糠墙饘賶\|圈與殼體壁面摩擦運動產(chǎn)生位移。
3	密封的關(guān)鍵部位	金屬波紋管	接觸面
3	密封效果	零泄漏	有泄漏
4	使用壽命	高（大于20000次）	低（小于2000次）
5	運動副有無接觸	無	有
6	有無摩擦	無	有
7	有無磨損	無	有
8	有效行程	中等（4-15mm左右）	大
9	液氫液氧下的性能	材料強度增加；零泄漏的密封性能不變	非金屬密封件變硬，尺寸縮小，密封性能下降，泄漏量加大
10	結(jié)構(gòu)簡易	相對復(fù)雜	簡單
11	密封可靠性	高	低

從表1的比較結(jié)果看，金屬波紋管動密封性能大大優(yōu)于機械式動密封性能。

3.金屬波紋管組合件加工

常用的金屬波紋管組合件，有不銹鋼OOCr17Nil4Mo2波紋管組合件和合金鋼GH4169波紋管組合件，它們的工藝加工過程大同小異，不同的是金屬波紋管組合件焊后熱處理方法不同，OCr17Nil4Mo2即316L不銹鋼波紋管組合件焊后不用時效處理，而GH4169波紋管組合件在固溶狀態(tài)焊接后需要時效處理提高波紋管的強度，同種材料的GH4169波紋管組合件必須在固溶狀態(tài)下焊接，否則會發(fā)生裂紋，GH4169波紋管組合件加工工藝主要內(nèi)容見圖10。

4.金屬波紋管組合件試驗

通過機械加工和焊接的金屬波紋管組合件，還不能直接安裝在閥門里使用，因為在多工序的工藝過程中，管壁材料在焊接、機械加工、工序周轉(zhuǎn)中還可能會發(fā)生劃傷、碰傷等質(zhì)量問題，必須經(jīng)過一系列的試驗，證明金屬波紋管組合件是符合圖紙要求的合格品，才能安裝在閥門中使用。金屬波紋管組合件主要試驗內(nèi)容見表2。

表2 金屬波紋管組合件主要試驗內(nèi)容
序號	檢查數(shù)量	檢查內(nèi)容	說明
1	逐件檢查	靈活性	大于3次
2		空氣氣密性	試驗壓力同工作壓力
3		氦氣檢漏	按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行
4		測量剛度	按圖紙要求
5	抽一批產(chǎn)品的5%；但不小于3件	X光檢查或剖切焊縫	檢查焊縫質(zhì)量
6	抽一批產(chǎn)品的5%；但不小于3件	強度檢查	試驗壓力為工作壓力的1.2～1.5倍

5．金屬波紋管動密封在我國火箭發(fā)動機閥門中的新應(yīng)用

近年來在航天液體火箭發(fā)動機閥門中有如下的新應(yīng)用：

5．1 新式雙曲率肋式波紋管穩(wěn)壓器

北京航天動力研究所于1985年就獲得了國家發(fā)明專利“雙曲肋式波紋管”見圖11、12，并研制成功了肋式波紋管穩(wěn)壓器，見圖13。

新式雙曲率肋式波紋管與單曲率的U型波紋管的不同是：

(1)在波紋管的軸線上有U型的曲線變形，在波紋管的沿圓周方向均勻排列的凹形“肋”曲線變形，波紋管的壁面是雙曲率變形結(jié)構(gòu)；

(2)肋式波紋管由專用夾具兩次液壓加工成型，波紋管管壁受到兩次拉伸、兩次冷作硬化；

新式雙曲率肋式波紋管與單曲率的U型波紋管在性能上相比，具有穩(wěn)定性好、剛性好、承壓能力高、殘余變形小等優(yōu)點。它可以用來代替膜片，作為調(diào)節(jié)器的壓力敏感元件使用。

新式雙曲率肋式波紋管組合件裝在液體穩(wěn)壓器后，進行了多臺的空氣、水、液氫、液氧的試驗，列舉其中單臺產(chǎn)品的試驗曲線見圖14、15。

從試驗結(jié)果說明雙曲率肋式波紋管穩(wěn)壓器，具有良好的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)性能、進回程差小、動態(tài)穩(wěn)定性好，能在空氣、水、液氫、液氧中使用，但缺點是波紋管成型復(fù)雜、成本高。

5．2 S 型波紋管液氧流量調(diào)節(jié)器

北京航天動力研究所于1994年就開始研制國家批準(zhǔn)的“高壓S型波紋管動密封”

立項專題，S型波紋管由北京航天動力研究所設(shè)計、沈陽儀表科學(xué)研究院加工成型，2002年研制成功了S型波紋管液氧流量調(diào)節(jié)器。2005年液氧流量調(diào)節(jié)器獲國家發(fā)明專利和國防二等科技獎。

S型波紋管與U型波紋管相比具有承壓能力高、s型波紋管壁受力均勻、殘余變形小、使用壽命長等優(yōu)點。特別適用于內(nèi)腔壓力高、行程小的工況下使用。外徑38mm、內(nèi)徑26mm、4層每層壁厚0.17mm、3個波、材料為GH4169的S型波紋管可以承內(nèi)壓30MPa，行程1mm，壽命大于20000次。

S型波紋管用在液氧流量調(diào)節(jié)器的閥前抬座動密封結(jié)構(gòu)中，利用抬座動密封結(jié)構(gòu)的閥座和閥門球之間的縫隙，可使本閥做為系統(tǒng)的初級流量閥門使用，又可以使閥門相對閥座無接觸無摩擦的轉(zhuǎn)動，可以做到壹閥兩用，這屬國內(nèi)首創(chuàng)。液氧通過S型波紋管液氧流量調(diào)節(jié)器抬座縫隙的流量系數(shù)μF值試驗曲線見圖18。