（机械工程专业论文）小型波纹管阀门密封技术研究.pdf

四川大学工程硕士学位论文 y 7 7 9 2 8 9 小型波纹管阀门密封技术研究 机械工程专业 研究生巫宗萍指导教师梁尚明羊海涛 随着科学技术的飞速发展和工业水平的不断提高，阀门的密封性和可靠性 要求越来越高。密封失效不仅会造成巨大的经济损失，而且会污染环境，甚至 酿成重大人员伤亡事故。氢系统用阀门的密封性和可靠性较一般阀门的要求更 高，因此对特殊使用条件下的波纹管阀门的密封技术进行研究意义重大。 本文根据小型波纹管阀门的使用环境和功能要求，确定了阀门的主要结构 材料，设计了阀门的内、外密封结构。对用于外密封的波纹管进行了计算分析 和试验研究，对阀门的内密封机理进行了初步理论分析，建立了平面密封泄漏 模型，预测了阀门内密封面的表面粗糙度和密封载荷与泄漏率之间的关系，为 阀门结构设计参数的确定提供了理论依据。 根据阀门贮存使用条件，选择具有抗氢性能的结构材料为阀门的主要结构 材料，阀门的主要外密封元件( 波纹管) 和主体材料为2 1 6 - 9 抗氢钢，内密封 阀头材料为铍青铜。阀门的内密封结构采用形如刀口的平面密封，具有平面密 封的特点( 小的开启高度能获得较大的通气面积) ，同时密封轴向力适中；外密 封采用与外界无漏点的波纹管密封。 作为阀门外密封元件的波纹管是影响阀门外密封性能的关键部件，通过对 波纹管进行有限元分析，初步掌握了波纹管在拉伸、压缩以及拉伸压缩共同作 用下的应力状况，同时采用有限元计算和试验相结合的方法，分析了波纹管的 稳定性、爆破压力、刚度等，结果表明，波纹管在工作压力下，拉伸和压缩量 达到许用位移的6 0 时，波纹管工作仍是安全的，为阀门开启量的确定提供了 理论依据。 波纹管阀门的内密封泄漏主要是界面泄漏。本文从理论上分析了影响阀门 内密封性能的主要因素。通过将阀门的内密封副等效为一个光滑表面和一个粗 四川大学工程硕士学位论文 糙表面的接触，建立了适合于阀门平面密封的界面泄漏模型，研究了密封载荷、 结构参数、密封面表面粗糙度对密封漏率的影响。 关键词：阀门，波纹管，外密封，内密封 jj 四川大学工程硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fs e a l i n gt e c h n o l o g yf o rm i n i t y p e c o r r u g a t e dt u b ev a l v e m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：w uz o n g p i n g a d v i s o r ：l i a n gs h a n g m i n gy a n gh a i t a o f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n di n d u s t r yl e v e l ，t h e s e a l i n gp r o p e r t i e sa n dr e l i a b i l i t i e so fv a l v e sa r ee n d u e dw i t hh i g h e ra n dh i g h e r r e q u i r e m e n t t h ef a i l u r eo fv a l v es e a l i n gc a l ln o to n l yb r i n ga se n o r m o u sl o s s e sa n d p o l l u t i o n ，b u ta l s ol e a dt os e r i o u sc a s u a l t yd a m a g e i nh y d r o g e ns y s t e m ，t h es e a l i n g p r o p e r t i e sa n dr e l i a b i l i t i e so fv a l v h a v eh i 【g h e rr e q u i r e m e n tt h a no t h e rv a l v e s i ti s i m p o r t a n tt or e s e a r c hs e a l i n gt e c h n o l o g yf o rm i n i t y p ec o r r u g a t e dt u b ev a l v ei ns o m e s p e c i a lc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt oa p p l i e de n v i r o n m e n ta n df i m c t i o n o fm i n i t y p ec o r r u g a t e dt u b e v a l v e ，t h em a j o rs t r u c t u r em a t e r i a l si nv a l v ea r es e l e c t e d ，a n dt h ep r o p e rs e a l i n g s t r u c t u r e sa r ec o n f i r m e d t h e nt h ep r o p e r t i e so fc o r r u g a t e dt u b ef o ro u t s i d es e a l i n g a r ec a l c u l a t e da n de x a m i n e d t h em e c h a n i s m so fi n s i d es e a l i n ga l ea n a l y z e d t h e l e a k a g em o d e lo fp l a n es e a l i n gi se s t a b l i s h e dt op r e d i c tr e l a t i o n sb e t w e e nr o u g h n e s s o fi n s i d es e a l i n gs u r f a c e ，s e a l i n gl o a da n dl e a k a g er a t e t h e s et h e o r ya n a l y s e sc a n b e n e f i tt oc o n f i r mt h es t r u c t u r ed e s i g np a r a m e t e ro f v a l v e b e c a u s et h ev a l v e sa r ea p p l i e di nh y d r o g e ns u r r o u n d i n g s ，t h ea n t i h y d r o g e n m a t e r i a l sa l es e l e c t e da st h em a j o rs t r u c t u r em a t e r i a lo fv a l v e s t h em a j o ro u t s i d e s e a l i n gc o m p o n e n t c o r r u g a t e d t u b ea n ds t r u c t u r em a t e r i a l a r e2 1 6 9 t y p e a n t i - h y d r o g e ns t e e l ，a n dt h e m a t e r i a lo fv a l v eh e a df o ri n s i d es e a l i n ga r e b e r y l l i u m - b r o n z e t h ei n s i d es e a l i n gs t r u c t u r eo fv a l v e a r ep l a n es e a l i n gw i t hb l a d e s h a p e ，w h i c hc a nr e a l i z el a r g ev e n t i l a t ea r e a sw i t hl i t t l eu n s e a lh e i g h t t h eo u t s i d e s e a l i n gs t r u c t u r e so f v a l v e a l ec o r r u g a t e dt u b es e a l i n gw i t h o u tl e a k a g ep o i n t t h eo u t s i d es e a l i n gc o m p o n e n t - c o r r u g a t e dt u b eo fv a l v ec a na f f e c to u t s i d e s e a l i n gp r o p e r t i e so fv a l v e t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s eo fs t r e s s s t a t eo f i l l 四川大学工程硕士学位论文 c o r r u g a t e dt u b e ，t h es t r e s s s t a t u sw h i c ha r eu n d e rs t r e t c h ，c o m p r e s sa n d s t r e t c h c o m p r e s s a c t i o na r eo b t a i n e d c o m b i n e dw i t ht e s t ，t h es t a b i l i t y , d e t o n a t i o np r e s s u r ea n dr i g i d i t yo fc o r r u g a t e dt u b ea r ea n a l y z e d t h er e s u l t s h o w e dt h a tc o r r u g a t e dt u b ei ss a f e t yu n d e rw o r k i n gp r e s s u r e a n dw h e n s t r e t c h c o m p r e s sd i s p l a c e m e n ti sl e s st h a n6 0 o fm a x m i u md i s p l a c e m e n t t h el e a k a g ei ni n s i d es e a l i n go fv a l v ei si n t e r f a c el e a k a g e t h em a j o rf a c t o r so f a f f e c t i n gt h ei n s i d es e a l i n gp r o p e r t i e sa r ea n n y z e db a s e do ns e a l i n gt h e o r i e s b y r e g a r d i n gt h ei n s i d es e a l i n gi n t e r f a c eo fv a l v e sa sa s m o o t hs u r f a c et o u c h i n gw i t ha e q u i v a l e n tr o u g h n e s ss u r f a c e ，t h ei n t e r f a c el e a k a g em o d e l so fp l a n es e a l i n g a r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h es e a l i n gl o a d ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n ds u r f a c er o u g h n e s se f f e c t o nl e a k a g er a t ea r ei n v e s t i g a t e d k e y w o r d s ：v a l v e ，c o r r u g a t e dt u b e ，o u t s i d es e a l i n g ，i n s i d es e a l i n g 四川大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 1 本文研究的背景及意义 在某氢及同位素处理系统中需要使用一种小型( 阀门通径为( p 2 左右) 、抗 氢脆、耐腐蚀、抗辐照的中、低压阀门，阀门的内、外密封性好，氮漏率不大 于1 1 0 一p a 一s ，阀门的使用寿命不低于1 0 0 次，同时在氢及同位素环境长 期贮存后，阀门应具有较高的工作可靠性。目前国内尚无该工况条件下使用的 口径小、结构简单、内外密封性能高的阀门产品。 由于氢处理系统对氢气的纯度要求很高，不能使用普通的填料阀，特别是 在处理氢同位素时，绝不允许阀门发生任何渗漏，为此，本文选用与外界无漏 点的波纹管阀门作为氢系统用阀门。 阀门作为一种流体控制设备，密封是首先需要解决的问题，阀门的密封性 能是阀门质量的重要指标之一。从泄漏部位来讲，阀门的密封分为外密封和内 密封。本文通过研究阀门的内、外密封性能，寻找影响阀门密封性能的因素， 在设计上控制这些因素，从而研制出密封可靠的氢及同位素系统用的波纹管阀 门。 小型波纹管阀门与其他阀门比较，有以下特点： a 小型波纹管阀门具有抗氢腐蚀的能力，可在氢及同位素环境下长期贮存 使用； b 阀门结构简单，体积小，重量轻，操作灵活，使用方便； c 内、外密封漏率小，工作压力不大于3 m p a 。 小型波纹管阀门不仅可用于氢及同位素系统，还可用于空间位置狭小、使 用条件苛刻、密封性要求高的其它军、民用系统。研制小型波纹管阀门具有巨 大的杜会效益和经济效益，同时可增加国内小型中、低压阀f - 3 的品种。 12 波纹管阀门的研究概况 波纹管阀门是以波纹管为外密封元件的阀门。波纹管从1 8 4 4 年首次被提出 至今已有百多年的历史。波纹管的开发及应用在第二次世界大战期间得到了 迅速的发展，主要领域如下 1 - 5 】： a 用于仪表中作为弹性敏感元件，可把压力变为位移输出或把压力变为 四川大学工程硕士学位论文 集中力输出； b 用于真空开关的真空密封； c 用于金属波纹管膨胀节； d 用于金属软管作挠性联接件： e 用于波纹管式换热器作换热元件； f 用于阀门作密封隔离元件。 波纹管有许多结构形式，以u 形波纹管的应用最为广泛，其次有q 型、c 型、s 型等。波纹管的主要制造方法有液压成型法、滚压法以及冲压法等。在剖 分式凹模中用液体作为成型介质的多波成型法是现代制造波纹管的先进工艺方 法之一，在工艺上和经济上较其它方法优越，适用于中、小直径的波纹管 t - 5 】。 以波纹管为密封隔离元件的波纹管阀门是在核燃料后处理厂中使用而研制 的一种专用阀门，结构形式主要有截止阀、节流阀、调节阀和减压阀等。在阀 门工作时，波纹管与阀杆一起进行轴向位移和复位，同时还要承受流体的压力， 波纹管阀门的工作压力很大程度上受波纹管耐压力的限制因此波纹管阀门一 般只适用于低压系统f 1 卅。 目前国内研究较成熟的波纹管阀门大多是大口径的低压阀门( 公称压力小 于或等于1 6 m p a ) ，而且结构复杂，体积较大。在氢环境下长期使用的小型低压 波纹管阀门研究较少。 1 3 波纹管力学性能的研究现状 波纹管的应力应变分析研究方法主要有三种：解析分析方法；工程近似方 法和数值分析方法 6 - 1 0 】。 在二十世纪七十年代之前，波纹管结构分析主要采用解析法，其主要思想 是：根据近似简单梁、近似圆柱体、近似壳体的假设，依据材料力学和弹性理 论得到波纹管壳体中的应力应变值。但由于波纹管本身是一种较为复杂的轴 对称薄壁壳体，且在绝大多数工况下材料处于塑性大变形范围内，因而在解析 解与波纹管材料的实际响应之间存在着较大的误差。 为了适应工程设计需要，人们引入了工程近似方法，该方法虽有一定误差， 但在工程设计或大系统研究中是有效的。该方法的主要思想是在解析法得到的 近似解中引出了图表形式的修正系数，经过这样的近似就可得出简单的设计计 2 四川大学工程硕士学位论文 算公式，并在工程设计中应用。传统的计算公式有：前苏联维赫曼公式、k e l l o g g 公式、日本东阳( t o y o ) 公司公式、西德a d 规范公式、美国膨胀节制造者协会 ( e j m a ) 标准公式，在我国较有影响的是美国e j m a 公式。美国膨胀节制造商协 会( e j m a ) 是在1 9 5 5 年由一批使用、设计和制造膨胀节方面富有经验的公司发 起成立的，1 9 5 8 年首次发布了膨胀节标准。该标准第一版较为简单。只涉及到 轴向位移的工况，以后随着研究成果及试验结果的增多，并将其逐步纳入到标 准内容之中，使标准增加了设计数据，扩展了使用范围。美国的e j m a 标准较其 它标准有明显的优点，它对波纹管的应力分析全面，假设条件较合理，加上计 算式对实际的影响因素作了必要的修正，故计算结果与实验数据较为接近，有 一定准确性。该标准不仅对工程设计必须考虑的问题( 如强度、稳定性、刚度、 疲劳寿命等) 规定了相应的计算式，而且对各种尺寸的波纹管( 单层或多层、 带加强或不带加强元件) 均可适用，能较好地满足使用需要。它作为膨胀节制 造商协会的专用标准，在世界上有相当的影响。我国压力容器和管道用膨胀节 的国家标准( 如g b t1 2 7 7 7 - 1 9 9 9 金属波纹管膨胀节通用技术条件) 是参照 该标准制定的。 分析波纹管力学特性的数值分析方法是随着计算机和计算数学的发展而产 生，主要包括有限差分法和有限元法等。有限元法较之解析法可不受波纹管波 形的限制，较之差分法可避免计算的不稳定性，较之实验法可节约大量实验费 用，因此在波纹管的数值分析中得到广泛的应用。 对波纹管进行有限元分析能够有效解决波纹管弹塑性大变形范围内的载荷 应力响应问题，主要思想是将膨胀节本体进行离散化，分成若干个单元，通过 能量原理建立起以结点位移为基本未知量的代数方程组，通过求解结点位移， 进而求出应变和应力。它的特点是可以借助计算机，一次计算出多种工况下的 波纹管的位移和应力分布，便于设计者进行应力分析，是对波纹管进行应力或 总体分析的有效方法。 安德列娃应用n e w t o n 法和差分法对波纹管的非线性特性作了研究【i ”，即先 用n e w t o n 法将r e i s s n e r 非线性方程化为若干个线性方程，然后用差分方程代 替线性化的微分方程进而获解。在研究u 形波纹管的非轴对称弯曲时，将各物 理量沿环向用f o u r i e r 级数展开，再将其半波沿子午向用有限差分法离散，得 到弯矩作用下波纹管应力和刚度变化曲线。 四川大学工程硕士学位论文 有限元分析时，将波纹管视为旋转薄壳结构，这种结构由于其几何上的对 称性及在厚度方向引入了壳体理论中的k i r c h h o f f 假设，使其本质上成为一维 单元，从而大大简化了整个分析过程。文献【1 2 】和文献【13 采用通用非线性结构有 限元分析软件f i n a s ，研究了u 形波纹管在内压及外压作用下的屈曲问题，文中 使用三结点轴对称旋转壳单元，径向及环向位移采用二次多项式插值，法向位 移采用四次多项式插值，最后将所分析的问题变为特征值问题应用f i n a s 中 的子空间迭代法给出波纹管柱状失稳和平面失稳的临界压力。文献f 1 4 】对在轴对 称载荷作用下的波纹管进行了有限元分析，文中提出了一种考虑曲率影响的、 以壳的径向切线转角为连续参数的截锥单元有限元法，并用于处理c 形波纹管 问题，指出一般的截锥单元有限元法由于忽视了曲率对径向切线转角的影响， 并不能处理曲率有突变的轴对称壳问题。 在波纹管的静动力特性方面，文献【l5 】采用三结点曲边单元，位移及转角在 总体坐标下独立插值的方法研究了波纹管在小应变、小位移假设下的轴对称振 动时的自振频率，发现固有频率的有限元结果比e j m 公式所得的要大，但比较 接近；文献i i6 j 基于小应变、有限位移的假设，用有限元法对中等转动波纹管的 轴对称几何非线性特性作了分析，所取单元同文献f 1 4 】；文献则采用三结点曲 边单元，将问题进一步扩展到非轴对称几何非线性上来。 王平【l8 】等应用几何非线性原理，采用四节点空间壳体单元对u 形波纹管在 各种受载情况下的强度进行了分析，可以解决其强度设计、振动特性及屈曲问 题，同时为多层u 形波纹管的分析提供了很好的借鉴。 陈晔等【l9 】采用轴对称单元，建立了用单层结构模拟多层波纹管结构的非线 性有限元模型，运用a n s y s 有限元软件对其在不同工况下平面失稳时的应力响 应进行了计算，结果表明，u 形无加强波纹管平面失稳与否主要取决于波纹管环 板表面塑性区的产生与扩展，同时证明了采用单层结构模拟多层波纹管进行平 面失稳研究的可行性。 赵连生等【2 0 采用非线性有限元分析了u 形波纹管的强度，用八节点空间单 元对波纹管作非线性( 包括几何和材料) 分析，所得到的应力大小较接近实测 值，应力分布规律符合实际情况。用此单元解决了波纹管的强度、振动、稳定 性等问题，并进一步对带初始缺陷的稳定性问题进行了研究。 胡很【2 1 】将波纹管作为圆环壳和截头扁锥壳的组合结构；在力学模型中，通 4 四川大学工程硕士学位论文 过引入压缩角和壁厚衰减率两个参数，研究了对成形工艺的影响；用摄动法给 出了刚度的解析表达式，计算结果与实验值十分吻合。 张进国等1 2 2 】提出了非轴对称裁荷作用下计算波纹管的位移和应力的有限单 元法。将波纹管离散为锥壳单元，单元之间用节点圆相连结，载荷和位移沿环 向展开成傅立叶级数，这样降低了计算维数，减少了计算工作量。文中提出的 非轴对称载荷作用下的波纹管有限元计算方法，能方便有效地计算任意载荷作 用下波纹管的位移和应力，可为工程中波纹管的设计提供理论依据。 周毅锦等【23 采用轴对称单元，根据波纹管运行状态的非线性特性，在非线 性有限元理论的基础上，从几何非线性、材料非线性两方面对波纹管进行应变 分析，并与电测值进行比较，得到波纹管非线性特性对波纹管研究的影响。 卢志明和钱逸1 2 4 1 对u 形波纹管在内压和位移作用下的平面稳定性进行了试 验研究，分析了u 形波纹管的平面失稳机理，实验测得压缩位移状态下的平面 失稳压力明显低于零位移状态下的平面失稳压力，而拉伸状态下则高于零位移 状态下的平面失稳临界压力。 1 4 国内、外阀门密封技术研究现状 阀门的密封主要分为两大类，即外密封和内密封。外密封是指阀盖处和阀 杆处之间的密封，内密封是指阀座密封面与阀头之间的密封。 阀盖处的密封一般采用法兰连接密封。阀杆处的密封分为填料密封和无填 料密封。填料密封由于结构简单，加工制造方便，价格低廉，因此9 0 的阀门 是采用填料密封。密封填料分为软质密封填料和成型填料两种。软质密封填料 磨损快，须经常拧紧填料压盖螺栓或更换填料才能保证较好的密封效果。成型 填料结构紧凑，密封性能好，品种规格齐全，适用范围广，目前应用较为普遍【2 5 1 。 国外早在二十世纪七十年代初期就开始研究利用膨胀聚四氟乙烯代替石棉和膨 胀石墨填料，并取得了较为理想的应用效果。近几年美国有几家公司研制开发 出了新型的填料密封【2 6 】。美国m a c r o t e c bp o l y s e a l 公司的光谱阀门密封是一种 独特的密封概念，根据选择不同的聚四氟乙烯的混合物，可用于一4 0 0 下( - - 2 4 0 ) + 5 0 0 下( + 2 6 0 ) 之间的任何工况中。美国跚e n g i n e e r e dp r o d u c t s 公 司根据不同的工作情况而设计的瞬时发射密封产品，它可在高温无氧情况下连 续工作，在操作过程中保持泄漏量小于1 0 0 p p m 。国内随后也在这方面进行了大 四川大学工程硕士学位论文 量的研究工作，在研究阀门阀杆密封运动机理的基础上，吸收和借鉴国外先进 技术，研制成功新型膨胀聚四氟乙烯密封填料，可弥补阀函和阀杆存在的机械 加工误差【2 7 】。 阀盖与阀杆处的无填料密封一般是指波纹管或膜片密封，与填料密封相比， 优点是密封性能可靠，但由于波纹管或膜片制造困难，加工成本高，而且存在 一些技术难点，因此用于阀门外密封不是很普遍。国内在波纹管或膜片密封方 面研究较少。 阀门内密封是通过阀座与阀头密封元件之间的相互紧密接触，依靠密封元 件的弹塑性变形，减小泄漏通道，以增加流动阻力来实现的。与法兰垫片密封 性质类似，属强制性密封。法兰金属平垫是金属垫片中几何形状最简单的一种， 制造工艺简单，价格便宜，适用于高温、低压的过热蒸汽和化工管道及阀门等 密封部位。1 9 7 1 年，k k o l l m a n n l 2 8 l 依据虎克定律，对金属平垫在高压工况下的 弹、塑性应力应变进行了分析，发现在高压下，金属平垫发生显著的弹性变形 且影响其密封性能，得到了相应的应力应变公式。应力应变公式的建立为金属 平垫设计提供了理论依据。1 9 7 3 年，t r t h o m a s 采用g - w 和m - r 弹性接触模型 研究了表面粗糙度对金属密封表面变形的影响，研究表明表面形貌对金属密封 性能影响很大，在相同的密封程度下，使密封面的接触区产生弹性变形所需要 的接触力不一定小于产生塑性变形所需要的接触力，接触表面越粗糙这种情况 越明显【2 ”。1 9 7 9 年，h h b u c h t e r 对金属密封进行了试验研究，取得了一些重 要结果：金属密封面的接触区产生弹性变形的接触力不能够形成耐高压的紧密 密封，只有在密封接触力使接触面产生永久变形时才能够形成密封，且密封 接触力是垫片材料屈服强度的两倍 2 9 1 。高压密封连接的密封元件不需要很高的 表面光洁度。目前金属垫片密封的研究工作主要集中在垫片力学性能、密封性 能试验研究，虽然进行了一些理论分析和数值计算，大都集中在法兰强度和连 接系统的变形协调方面，对金属垫片的密封机理、泄漏模型以及最佳工作密封 比压的研究很少。因此，深入研究密封机理，建立泄漏模型，确定密封件最佳 密封比压，具有十分重要的意义。 随着现代工业的发展，对阀门的密封可靠性提出了更高的要求，没有泄漏 和长寿命成为阀门工作质量的首选。阀门的泄漏特别是外漏不仅会造成大量流 体损失，耗损能源，污染环境，甚至会酿成重大的事故。虽然各种结构形式的 四川大学工程硕士学位论文 阀门不断涌现，但阀门密封仍是一个未能根本解决的问题。 1 5 本文的主要研究内容 本学位论文以小型波纹管阀门为研究对象，进行小型波纹管阀门结构设计 和材料选择，对波纹管的力学性能和波纹管阀门的密封性能等方面进行深入的 研究。探讨阀门的内密封机理，并建立内密封泄漏模型。 具体包括以下几方面的内容： 1 选择和设计合理的内、外密封结构；提出阀门用波纹管的主要结构参数的 确定方法；选择波纹管阀门的结构材料，满足阀门的抗氢性能要求。 2 建立波纹管有限元分析模型，研究波纹管在压力载荷、位移载荷和二者共 同作用下的应力分布状况，为阀门的外密封结构设计提供理论依据；分析 波纹管在工作位移下的稳定性及其影响因素。 3 阀门用波纹管的刚度、疲劳寿命及爆破压力等都是影响阀门关闭载荷及阀 门使用寿命的参数。采用计算和试验相结合的方法，研究阀f l m 波纹管的 刚度、疲劳寿命及爆破压力，为波纹管结构改进和阀门结构设计提供依据。 4 对阀门内密封机理进行分析；定性地分析影响阀门内密封性能的主要因素； 根据对波纹管阀门内密封表面形貌的分析，建立内密封泄漏模型，研究密 封副表面粗糙度、密封载荷及材料性能对泄漏率的影响。 7 四川大学工程硕士学位论文 2 小型波纹管阀门的结构设计及材料选择 小型波纹管阀门主要用于氢及同位素系统中，阀门密封性能差或密封寿命 短而产生流体的泄漏，不仅会造成重大的经济损失，甚至会造成人员伤亡。在 对阀门进行设计时，需认真研究阀门的密封结构和密封材料，选择合适的阀门 密封结构。阀门的密封分为两大类，即内密封和外密封。 本章根据波纹管阀门的使用环境和功能要求，设计阀门的内、外密封结构。 对常用材料的抗氢性能进行分析，选择波纹管阀门的结构材料，以满足抗氢腐 蚀要求和机械强度要求。 2 1 小型波纹管阀门的结构设计 2 1 1 小型波纹管阀门的工作原理 图2 1波纹管阀门结构示意图 波纹管阀门以波纹管作为外密封元件，其结构原理如图2 1 所示。波纹管 一端焊接固定在阀盖和阀座上，另一端焊接在阀杆上，阀杆上下运动带动波纹 管压缩或拉伸，波纹管起着外密封和弹性元件的作用。关闭阀门时。阀杆向下 移动，阀杆上的阀头随之向下移动压紧密封面，阀门关闭；开启阀门时，提升 四川大学工程硕士学位论文 阀杆，阀头离开密封面，阀门打开完成开启动作。波纹管的轴向行程通过阀杆 移动的机械限位来保证。 2 1 2 小型波纹管阀门类型选择 波纹管阀门在氢系统中主要作用是切断或打开气路通道。根据使用要求， 截止阎、蝶阀、闸阀等均能满足使用要求。截止阀在小行程的条件下能迅速打 开到全流量，且具有比其他形式的阀门( 如闸阀或蝶阀) 重量轻、体积小的优 点，因此本文研究的小型波纹管阀门类型采用截止阀。 2 1 3 小型波纹管阀门外密封结构设计 2 1 3 1 阀门的外密封结构 表2 - 1 常用阀门外密封结构 外密封 典型结构形式 特点 适用范围 结构 将某种软质材料填塞在 作为外密封结构只能把 填 轴与填料函之间，然后预 泄漏减少到极小而不是 料 紧压盖，使填料沿径向内 完全不漏。缺点：随着填 常用来密封带有转动轴 密 外扩张，形成其对轴和填 料在使用过程中润滑剂 和往复轴的设备，以及各 料函内壁表面的贴紧，从 的流失，化学腐蚀及挤压 种阀门阀杆的旋动密封。 封b i 起的应力松弛等，在开 对密封要求高的、苛刻的 而阻止内部流体向外泄 启关闭时，则在阀杆填料 环境下不适用。 漏。 函处会产生泄漏。 波 波纹管的一端焊接在阀 波纹管的工作行程限制波纹管密封主要用于环 纹 杆上，另一端焊接在一个 了阀门的开启高度，波纹境苛刻条件，尤其在高腐 管 固定的法兰上，构成波纹 管密封比填料密封具有 蚀性、放射性、有毒、有 密 管组件。阀杆直线运动 更高的可靠可以做到绝害、高纯及昂贵流体系统 时，波纹管压缩或拉伸， 封对密封。 中应用，特点更为突出。 阀门完成启闭动作。 膜片阀门的工作压力相 对较低。取决于膜片材料 膜 将膜片作为外密封元件， 和管路尺寸使用过程中 由于膜片存在破裂，在剧 片 以防止两个腔体的流体 如果系统压力不超过膜 毒和强腐蚀流体条件下 密 进行交换。 片材料的强度极限。由于 封膜片的回弹，系统里的液 最好不使用。 压冲击容易吸收。结构简 单，可以做到绝对密封。 四川大学工程硕士学位论文 阀门的外密封是指阀盖处与阀杆处的密封，通常指阀杆处的密封。阀盖处 的密封是指阀盖与阀体之间的密封，分为强制密封( 如法兰平垫密封) 和自紧 密封；阀杆处的密封结构形式主要为填料密封、波纹管密封、膜片密封，其中 波纹管密封和膜片密封可以做到完全不漏。 几种常用阀门外密封结构形式各具特点，适用于不同的使用环境，如表2 - 1 所示。 2 1 3 2 小型波纹管阀门外密封结构设计 为了减少波纹管阀门对外泄漏的漏点，波纹管阀门设计时，将阀盖与阀座 焊接。在开启或关闭过程中，阀杆存在轴向移动，外密封必须保证阀杆在轴向 移动过程中阀杆与阀盖之间的间隙很小，以防止流体泄漏。 由于本阀门长期在氢环境下使用，对外漏密封有特殊严格要求。设计时通 过波纹管及其波纹管与阀杆可靠的焊接将阀杆与阀腔内的流体完全隔断，从而 达到隔离外泄漏源的目的，保证流体绝无外泄漏的通道，如图2 - 2 所示。 阀门中波纹管是影响阀门外密封性能的关键部件，而波纹管的性能主要由 波纹管的结构参数决定。 _ n 孓 血 i l ， 厂一 图2 - 2 波纹管阀门外密封结构示意图 2 1 3 3 波纹管参数确定方法 1 ) 波形及内外径确定 波纹管有u 形、c 形、q 形和s 形等波形，应用于阀门的波纹管波形主要有 u 形和s 形。在承受较高工作压力和较大位移的条件下，采用多层u 形波纹管结 构。在工作压力高，工作位移较小，有特殊要求的场合，多采用s 形波纹管结 1 0 四川大学工程硕士学位论文 构。 本研究用波纹管阀门公称压力为3 m p a ，因此需要选择具有较高机械强度的 波纹管材料，但是波纹管材料强度太高又会使成型相对较困难。鉴于以上原因， 本阀门用波纹管的波形确定为单层u 型波纹结构。 波纹管外径d 根据放置波纹管的空间确定，波纹管内径d 根据所容纳的阀 杆直径确定。参照波纹管相关标准和设计要求，本阀门用波纹管内径取中6 唧， 外径取中l o m m 。 2 ) 波数确定 波纹管波数根据阀门启闭行程w 确定。通常波纹管的单波结构位移约为波 距的4 0 ，单波最大许用位移约为结构位移的7 5 。使用位移为最大许用位移的 5 0 7 0 ，单波使用位移为( 0 1 5 0 2 ) t ，因此波纹管波数n 为： n ：兰一 ( 2 一1 ) ( 0 1 5 。0 2 ) t 式中：w 一阀门启闭行程； n 一波纹管波数； t 一波距 根据计算和实际使用条件，波纹管的波数取6 个波。 3 ) 壁厚确定 波纹管的壁厚s 通常根据阀门的压力等级按照相关标准和资料预先选定， 然后再根据公式验算波纹管的耐压力。高压波纹管，一般采用多层结构，以降 低波纹管的刚度和应力。 波纹管耐压力验算时，应考虑波纹管波形在压力作用下开始发生塑性变形 时的最大耐压力p 。( 临界失稳压力) 和产生总体失稳时的p s ( 总体失稳压力) 。 本阀门用波纹管采用单层波纹结构，壁厚为o 1 2 m m 。 4 ) 波纹管使用寿命确定 波纹管的使用寿命与工作位移、工作压力、工作介质、温度范围、刚度、 频率、材料性能、工艺因素和安装情况等有关，理论计算较复杂，且计算结果 与实际情况相差很大。工程中通常依据工作位移和压力对使用寿命进行估算， 确切的数据由试验而定。实际应用中，由于其他工作条件的变化，会引起波纹 管使用寿命的变化。 四川大学工程硕士学位论文 压力冲击对波纹管使用寿命会造成影响。在快速关闭阀门过程中产生的压 力峰值会使波纹管产生较大变形，从而降低波纹管的使用寿命。由于许多情况 难以预计，对波纹管的耐压强度设计要留有余地。 安装和使用也会对波纹管使用寿命造成一定影响。如果波纹管使用和安装 不正确，工作时产生的各种附加应力，同样会降低波纹管的使用寿命。 在阀门设计过程中要提高波纹管的使用寿命，应根据使用要求确定波纹管 的工作位移和结构，使波纹管始终工作在良好的状态。另外，由于波纹管的行 程不能超过工作位移，波纹管的轴向行程通过阀杆移动的机械限位来控制，可 采取一定的结构设计措施，避免驱动装置一螺纹副转动使波纹管扭转而产生的 扭曲变形。 考虑各种因素，波纹管的使用寿命暂定为5 0 0 0 次。 5 ) 波纹管端部结构确定 通常波纹管端部与阀杆或法兰采用焊接连接，因此在选用波纹管端部结构 时，要同时考虑焊接和波纹管成形的工艺性。常用的两种阀门用波纹管端部基 本结构形式为n 形和w 形，具体如图2 3 所示。根据波纹管与阀杆、阀体的焊 接结构，本研究用小型波纹管阀门的波纹管端部结构采用图2 - 3 ( a ) 所示的内配 合结构形式。小型波纹管阀门用波纹管的具体结构参数和结构形式如图2 4 所 刀io 讶、蚓 【 】 - 【 】 【 -_ ( a )n 型( 内配台) ( b ) w 型( 外配合) 图2 - 3 小型波纹管阀门用波纹管的端部结构示意围 四川大学工程硕士学位论文 a ) 三维示意图 b ) 二维示意图 图2 - 4 小型波纹管阀用波纹管结构示意图 2 1 4 小型波纹管阀门内密封结构设计 2 1 4 1 阀门内密封结构 阀门的内密封是指阀座与启闭件( 阀头) 相互接触部分的密封。根据密封 面的表面几何形状，可将阀门内密封的密封形式分为平面密封、球面密封、锥 形密封、刀形密封，各自特点见表2 - 2 3 1 】。 13 四川大学工程硕士学位论文 表2 - 2 内密封结构特点 内密封 结构 结构形式优点缺点 适用范围 平面 接触密封面为环形平 阀门关闭与开启时 面，环形平面宽度一 密封面问无相对移 密封面上难以达常用于截l | = 密封动，磨损小；加工 到高的密封比压，阀中，不宜在 般为几个毫米。密封载荷大。高压下使用 工艺性好。 属线接触密封形式。密封比压大，接触 锥一球阀头球面直径与阀座面受力情况好( 三开启高度小，在截多用于通用 面密封阀孔直径之比，一般向压应力状态) ，密止阀上较少使用。 阀门中。 在1 4 倍左右。封性好。 锥形阀头与阀座为锥面接 密封面的密封比压 阀门开启与关闭 大，易于密封，阀 时两密封面间有高压、超高压 密封触。相对滑动；锥面的 阀门。 杆轴向力小。 加工较平面难。 刀形 属线密封结构形式。 密封面容易得到很刀口的应力扩散常见于小口 刀口宽度一般在高的密封比压，密 差，难以胜任大的径真空阀和 密封 0 5 m m 左右。封性好。轴向力。 低压阀。 2 1 4 2 小型波纹管阀门的内密封结构设计 1 ) 小型波纹管阀门内密封结构设计要求 阀门密封面由于经常受到介质的腐蚀、磨损，所以是阀门中最容易损坏的 部件，其结构和质量的好坏直接影响阀门的使用寿命。根据波纹管阀门的工作 条件和使用环境，波纹管阀门密封面应具有如下的特性： a 良好的密合性能，即密封面应能很好她阻止介质渗透； b 密封面能承受一定的结构强度： c 由于波纹管轴向行程较小，要求阀门密封面开启高度小； d 耐氢腐蚀性能： e 良好的加工性能； f 多次使用后仍有很高的密封可靠性。 2 ) 技术途径 密封副材料选用具有抗氢腐蚀的金属材料，材料的机械强度和硬度较高， 以满足长期使用后的密封可靠性要求和耐腐蚀性要求。根据波纹管阀门开启高 1 4 四川大学工程硬士学位论文 度小的特点，结构设计上采用抬起高度小而能获得较大通气面积的密封结构。 平面密封虽然可以获得较大的开启面积，但密封力太大；刀形密封面具有平面 密封的优点，但刀形密封面不能承受太大的密封轴向力，因此将阀门的内密封 结构设计为形如刀口的平面密封面，阀座密封面加工成梯形刀口，阀头密封面 为平面。该内密封结构不仅实现了平面密封，又可获得适中的密封轴向力，如 图2 - 5 所示。为了减少加工工序和降低加工难度，将密封面直接在阀座上加工。 图2 - 5 刀口形平面密封结构示意圈 2 1 4 3 内密封面密封比压确定方法 截止阀平面密封所需密封力的大小决定于密封面的宽度、 质压力。 根据参考文献 3 2 1 ，截止阀平面密封条件为： q m r g g 】 式中： 甜保证密封所需的比压m p a ，见参考文献e 姐，钰= 印j p 一设计压力，m p a ； 羽一密封面的许用比压，m p a ，见参考文献表4 6 6 ； 密封面材料及介 ( 2 - 2 ) 四川大学工程硕士学位论文 口一计算的实际比压，m p a 。 实际密封比压按下式计算： g = 而丽q m z 两 ( 2 3 ) 式中： 扣阀座密封面内径，m m ： 6 厂一阀座密封面宽度，m m ； 锄一阀座密封面上的总作用力，n 。 锄计算如下： q k = 万( d + k ) q u e ( 2 4 ) 2 2 波纹管阀门的材料选择 用于氢系统中的波纹管阀门各零部件材料与氢的相容性是防止阀门泄漏的 基本条件。本阀门的工作介质为氢气，氢会对某些材料造成氢损伤或氢脆，从 而导致材料失效而产生泄漏。因此在氢系统中使用的阀门材料需要考虑该材料 与氢的相容性，如果没有可靠的证据表明用于氢系统中的任何零部件材料与氢 相容，就不能用于氢系统。 波纹管阀门中与氢长期接触的波纹管是薄壁壳体材料，壁厚o 1 2 m m ，轻微 的氢腐蚀都可能引起波纹管产生裂纹，从而导致氢泄漏，因此更应注意材料的 选择。 2 2 1 常用材料的抗氢性能分析 材料的抗氢性能与化学成分、热处理工艺和受力状态等多种因索有关，不 同材料其抗氢性能差异很大。表2 3 和表2 4 列出了国外在相同条件下做过氢 脆试验的材料及其氢损减p ”。 这些材料可分为两类，一是在氢中产生极严重的脆化的材料，这类材料不 允许用于氢环境，如表2 - 3 所列；二是在氢中有轻微脆化或可忽略脆化的材料， 可以在氢中甚至在较恶劣环境的氢环境中使用，如表2 - 4 所列。 四川大学工程颈士学位论文 表2 - 3 在氢中严重脆化的材料 强度比0 “恤) o 。( h e ) 无缺口试样延性比 材料 缺口试样k t = 8 4 无缺口试样 6h 2 6 1 i ，2 1 l r 1 8 n i - 2 5 0 o 1 20 、6 8 o 0 20 0 5 极 4 1 0o 2 2 o 7 90 0 9 0 2 0 1 0 4 2 ( 淬火与回火)o 2 2 重1 7 - 70 2 30 。9 2 0 1 0 0 0 6 脆f e 一9 n i - 4 c o - o ，2 c0 2 40 8 6 0 0 30 2 2 化h - 1 10 2 5 0 5 7 的4 1 4 00 4 0 0 9 50 1 9 0 1 9 材 i n c o n e 7 1 80 4 6 0 9 30 0 90 0 4 料 4 4 0 co 5 0 4 0 1 7 4 p h ( 固溶退火) 0 3 2