液氧調節閥閥芯失效分析及解決方案

空分系統中的氧泵液氧調節閥閥門前、后壓差較大，處于較嚴重的閃蒸與汽蝕工況。因此，閥芯采用的是2級多孔式套筒減壓結構。在開車使用過程中，由于汽蝕的影響，閥門振動較大，閥芯在某些局部部位經常發生沖刷損壞和啃傷，zui終導致閥門不能起到調節作用，且無法正常關閉，閥門的控制功能失效，對裝置的安全生產運行帶來了不利的影響。

1 閥芯失效原因分析

1.1 原閥芯結構

調節閥用于液氧工況下，使用溫度在－185℃左右。在此工況下，很多材料呈現出高強度和脆性，閥門內件一般使用奧氏體不銹鋼或高溫合金鋼和鋁合金材料。液氧調節閥原結構如圖1所示，閥芯是2級多孔式套筒結構。閥芯包括主閥芯和輔助閥芯，輔助閥芯通過彈簧和碟簧復位，在調節過程中始終處于全開狀態，帶動主閥芯一起動作。

圖1 液氧調節閥閥芯結構

在主閥芯和套筒之間有一道密封，采用剛度大，導向性能好的高溫合金材料，例如INCON718等鎳基合金。調節閥套筒材料為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

從多臺閥門的閥芯拆解檢修中主要發現如下問題：

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，閥門發生汽蝕，并可能伴隨較大振動和噪音。

2）主閥芯密封環處發生啃傷。汽蝕、閃蒸工況引發了閥門的振動，密封環的材料是高溫合金（鎳基合金），強度和硬度均大于316材質的閥芯。尤其在低溫下，硬度增加后脆性增大，長時間振動后導致脆裂。脆裂后的密封環碎片使閥芯啃傷。

3）套筒導向內壁啃傷。此處正是和主閥芯密封環接觸的位置，且材料同樣是316，和第2條的形成原因類似，長期振動造成了密封環脆裂，進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碎片的啃傷，而密封環脆裂是在低溫的環境中由于長時間的振動所致。鑒于此，提供更換主閥芯密封環材質和對主閥芯進行設計改造兩種解決方案。

2.1 方案一

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

1）原高溫合金密封環在液氧工況下，強度和硬度大幅增大，導致主閥芯和套筒導向段嚴重損傷，并且自身發生斷裂破壞，影響閥門正常運行。

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

3）閥門長期處于小開度下工作，并發生了汽蝕，導致閥門振動增大，在不改變閥門整體結構的前提下，小開度和汽蝕不可避免的會發生，采用PTFE密封環，其柔性大，可在一定范圍內抑制振動，減小噪音。

此方案已得到實際應用，效果良好。

2.2 方案二

鑒于導致主閥芯密封面和套筒內壁啃傷的主要原因是密封環，可取消密封環結構，同時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。改造前后的結構如圖3所示，去掉了主閥芯與套筒之間的密封環，同時去掉了主閥芯與輔助閥芯之間的卡簧連接，增加了一個壓塊，使主閥芯和輔助閥芯之間通過壓塊形成螺釘連接，新結構和原結構相比，消除了密封環脆裂帶來的閥芯、套筒啃傷，可靠性得到提高。

圖3 原結構和改造后的新結構對比

保證新結構與原結構的碟簧壓縮量一致，并在此基礎上進行螺釘強度校核。根據測繪結果，原始結構中單個碟簧高為2.5mm，預壓縮后6個碟簧的總高為14mm，則碟簧組件的預壓縮量為1mm。根據GB/T1972—2005碟簧標準要求，由碟簧計算公式：

    （1）

    （2）

    （3）

式中：F—單片碟簧的負荷，N；

E—彈性模量，根據GB/T1972—2005，E＝206000N/mm²；

t—厚度，單個碟簧的厚度實測值為1.5mm；

μ—泊松比，根據GB/T1972—2005，取值為0.3；

D—碟簧的外徑，實測值為39.8mm；

d—碟簧的內徑，實測值為20.6mm；

K₁—計算系數，按式（2）計算；

K₄—計算系數，根據GB/T1972—2005，無支撐面彈簧，取值為1；

f—單片碟簧的變形量，實測得1/6mm；

h₀—無支撐面碟簧壓平時變形量的計算值h₀＝H₀－t，mm；

H₀—單片碟簧的自由高度，實測值為2.5mm。

算得碟簧的受力為680N。設計采用8－M4mm的螺栓替換碟簧，則單個螺栓受力F為85N。對單個螺栓，有：

    （4）

式中：A—螺栓截面積，mm²，按受力截面直徑3.3mm計算。

遠小于材質為316的單個螺栓的許用應力135MPa。改造后的新結構得到了實際應用，使用效果良好。

3 結束語

通過更換主閥芯密封環或將主閥芯與輔助閥芯之間用連接螺栓連接的改進后，可以有效地避免閃蒸和汽蝕帶來的振動對閥芯的破壞。解決了由于密封環脆裂帶來的閥芯啃傷導致失效的問題，提高了閥門的可靠性，延長了閥門使用壽命。