1 概述
在氫及氫同位素處理系統(tǒng)中需要使用一種小型的( 閥門通徑約Φ2mm) 抗氫脆、耐腐蝕、抗輻照的中低壓閥門。要求閥門的內(nèi)、外密封性好，氦漏率＜1 × 10 － 9 Pa·m3 /s，閥門的使用壽命＞ 100 次。在氫及氫同位素環(huán)境長(zhǎng)期貯存后，閥門應(yīng)具有較高的工作可靠性。由于氫處理系統(tǒng)對(duì)氫氣的純度要求很高，不能使用普通的填料閥，特別是在處理氫同位素時(shí)，不允許閥門發(fā)生任何滲漏。為此，設(shè)計(jì)了外界無漏點(diǎn)的小型波紋管閥門作為氫系統(tǒng)用閥門。
2 工作原理
波紋管閥門以波紋管作為閥桿密封元件( 圖1) 。波紋管一端焊接固定在閥蓋和閥座上，另一端焊接在閥桿上，閥桿上下運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)波紋管壓縮或拉伸，波紋管起閥桿密封和彈性元件的作用。關(guān)閉閥門時(shí)，閥桿向下移動(dòng)，閥瓣隨之向下移動(dòng)壓緊密封面，閥門關(guān)閉。開啟閥門時(shí)，提升閥桿，閥瓣離開密封面，閥門打開完成開啟動(dòng)作。波紋管的軸向行程通過閥桿移動(dòng)的機(jī)械限位控制［1］。
3 閥門類型及材料
根據(jù)使用要求，小型波紋管閥門采用截止閥。
截止閥在短行程的條件下能迅速開啟至全流量，且具有比其他形式的閥門( 如閘閥或蝶閥) 質(zhì)量輕、體積小、操作靈活和使用方便的優(yōu)點(diǎn)。由于閥門的工作介質(zhì)為氫氣，對(duì)某些材料造成氫損傷或氫脆，從而導(dǎo)致材料失效而產(chǎn)生泄漏。因此閥門選用具有抗氫腐蝕的金屬材料，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，可以滿足長(zhǎng)期使用后的密封可靠性和耐腐蝕性要求。
4 閥桿密封設(shè)計(jì)
為了減少波紋管閥門的外泄漏點(diǎn)，將閥蓋與閥座焊接在一起。在開啟或關(guān)閉過程中，閥桿軸向移動(dòng)，閥桿密封必須保證閥桿在軸向移動(dòng)過程中閥桿與閥蓋之間的間隙很小，以防止流體泄漏。由于波紋管與閥桿可靠的焊接將閥桿與閥腔內(nèi)的流體完全隔斷，保證流體無外泄漏的通道( 圖2) 。
5 波紋管設(shè)計(jì)
( 1) 波形及直徑
應(yīng)用于閥門的波紋管波形主要有U 形和S 形。在承受較高工作壓力和較大位移的條件下，采用多層U 形波紋管。在工作壓力高，工作位移較小，有特殊要求的場(chǎng)合，采用S 形波紋管。由于小型波紋管閥門公稱壓力為3MPa，因此需要選擇具有較高機(jī)械強(qiáng)度的波紋管材料。考慮波紋管材料強(qiáng)度太高會(huì)使成型相對(duì)困難［2，3］，所以，選用單層U 形波紋的波紋管。參照波紋管相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求，波紋管內(nèi)徑取Φ6mm，外徑取Φ10mm。
( 2) 波數(shù)
波紋管波數(shù)根據(jù)閥門啟閉行程W 確定。通常波紋管的單波結(jié)構(gòu)位移約為波距的40%，單波最大許用位移約為結(jié)構(gòu)位移的75%。使用位移為最大許用位移的50% ～ 70%，單波使用位移為( 0. 15 ～2) t，因此波紋管波數(shù)n 為［4］
根據(jù)計(jì)算和實(shí)際使用條件，波紋管取6 個(gè)波。
( 3) 壁厚確定
波紋管的壁厚s 通常根據(jù)閥門的壓力等級(jí)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料預(yù)先選定，再根據(jù)公式驗(yàn)算波紋管的耐壓力。高壓波紋管一般采用多層結(jié)構(gòu)，以降低波紋管的剛度和應(yīng)力。波紋管耐壓力驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)考慮波紋管波形在壓力作用下開始發(fā)生塑性變形時(shí)的最大耐壓力Pn ( 臨界失穩(wěn)壓力) 和產(chǎn)生總體失穩(wěn)時(shí)的壓力PS ( 總體失穩(wěn)壓力) 。根據(jù)實(shí)際條件，選取波紋管壁厚s = 0. 12mm。
( 4) 使用壽命確定
為提高波紋管的使用壽命，應(yīng)根據(jù)使用要求確定波紋管的工作位移和結(jié)構(gòu)，使波紋管始終工作在良好的狀態(tài)。由于波紋管的行程不能超過工作位移，波紋管的軸向行程通過閥桿移動(dòng)的機(jī)械限位控制，可采取一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，避免驅(qū)動(dòng)裝置螺紋副轉(zhuǎn)動(dòng)使波紋管扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的扭曲變形。壓力沖擊對(duì)波紋管使用壽命會(huì)造成影響。在快速關(guān)閉閥門過程中產(chǎn)生的壓力峰值會(huì)使波紋管產(chǎn)生較大變形，從而降低波紋管的使用壽命。由于許多情況難以預(yù)計(jì)，對(duì)波紋管的耐壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)要留有余地［3，5］。如果波紋管使用和安裝不正確，工作時(shí)產(chǎn)生的各種附加應(yīng)力，同樣會(huì)降低波紋管的使用壽命［5］。
( 5) 端部結(jié)構(gòu)
通常波紋管端部與閥桿或法蘭采用焊接連接，因此在選用波紋管端部結(jié)構(gòu)時(shí)，要同時(shí)考慮焊接和波紋管成形的工藝性。常用的兩種閥門用波紋管端部基本結(jié)構(gòu)形式為N 形和W 形( 圖3) 。根據(jù)波紋管與閥桿和閥體的焊接結(jié)構(gòu)，小型波紋管閥門的波紋管端部結(jié)構(gòu)采用內(nèi)配合形式，波紋管的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示。
6 內(nèi)密封設(shè)計(jì)
閥門的內(nèi)密封是指閥座與閥瓣( 啟閉件) 相互接觸部分的密封。閥門密封面經(jīng)常受到介質(zhì)的腐蝕和磨損，是閥門中容易損壞的部件，其結(jié)構(gòu)和質(zhì)量直接影響閥門的使用壽命。根據(jù)波紋管閥門的工作條件和使用環(huán)境，波紋管閥門密封面應(yīng)具有良好的密合性能( 即密封面應(yīng)能很好地阻止介質(zhì)滲透) ，多次使用后仍有很高的密封可靠性，密封面能承受一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。由于波紋管軸向行程較小，要求閥門密封面開啟高度小。密封面應(yīng)耐氫腐蝕并有良好的加工性能。
根據(jù)波紋管閥門開啟高度小的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用抬起高度小而能獲得較大通氣面積的刀形平面密封結(jié)構(gòu)。閥座密封面加工成梯形刀口，閥瓣密封面加工為平面。該內(nèi)密封結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)了平面密封，又可獲得適中的密封軸向力。為了減少加工工序和降低加工難度，將密封面直接在閥座上加工 ( 圖5) 。
7 結(jié)語
根據(jù)工作環(huán)境和使用要求，設(shè)計(jì)了小型波紋管閥門的內(nèi)、外密封結(jié)構(gòu)，達(dá)到了閥門要求的密封精度和長(zhǎng)期使用后的密封可靠性。
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