液氧调节阀阀芯失效分析及解决方案

空分系统中的氧泵液氧调节阀阀门前、后压差较大，处于较严重的闪蒸与汽蚀工况。因此，阀芯采用的是2级多孔式套筒减压结构。在开车使用过程中，由于汽蚀的影响，阀门振动较大，阀芯在某些局部部位经常发生冲刷损坏和啃伤，zui终导致阀门不能起到调节作用，且无法正常关闭，阀门的控制功能失效，对装置的安全生产运行带来了不利的影响。

1 阀芯失效原因分析

1.1 原阀芯结构

调节阀用于液氧工况下，使用温度在－185℃左右。在此工况下，很多材料呈现出高强度和脆性，阀门内件一般使用奥氏体不锈钢或高温合金钢和铝合金材料。液氧调节阀原结构如图1所示，阀芯是2级多孔式套筒结构。阀芯包括主阀芯和辅助阀芯，辅助阀芯通过弹簧和碟簧复位，在调节过程中始终处于全开状态，带动主阀芯一起动作。

图1 液氧调节阀阀芯结构

在主阀芯和套筒之间有一道密封，采用刚度大，导向性能好的高温合金材料，例如INCON718等镍基合金。调节阀套筒材料为316奥氏体不锈钢材料，主阀芯和辅助阀芯同样采用316奥氏体不锈钢材料，阀杆采用Ni－Cr高温合金钢A286。

1.2 失效情况及原因分析

阀芯损伤部位如图2所示。

图2 阀芯损伤部位

从多台阀门的阀芯拆解检修中主要发现如下问题：

1）主阀芯靠近阀座密封面附近有多处汽蚀损伤。主要原因是由于阀门处于小开度下压差较大，阀门发生汽蚀，并可能伴随较大振动和噪音。

2）主阀芯密封环处发生啃伤。汽蚀、闪蒸工况引发了阀门的振动，密封环的材料是高温合金（镍基合金），强度和硬度均大于316材质的阀芯。尤其在低温下，硬度增加后脆性增大，长时间振动后导致脆裂。脆裂后的密封环碎片使阀芯啃伤。

3）套筒导向内壁啃伤。此处正是和主阀芯密封环接触的位置，且材料同样是316，和第2条的形成原因类似，长期振动造成了密封环脆裂，进而造成了此处的啃伤破坏。

2 解决方案

由于阀芯失效的主要原因是主阀芯、套筒受到来自密封环碎片的啃伤，而密封环脆裂是在低温的环境中由于长时间的振动所致。鉴于此，提供更换主阀芯密封环材质和对主阀芯进行设计改造两种解决方案。

2.1 方案一

更换新的主阀芯密封环，原密封环为高温合金材料，可采用聚四氟乙烯（PTFE）材质。理由如下：

1）原高温合金密封环在液氧工况下，强度和硬度大幅增大，导致主阀芯和套筒导向段严重损伤，并且自身发生断裂破坏，影响阀门正常运行。

2）PTFE材料在低温下具有良好的机械韧性，即使温度下降到－196℃，也可保持5%的伸长率。

3）阀门长期处于小开度下工作，并发生了汽蚀，导致阀门振动增大，在不改变阀门整体结构的前提下，小开度和汽蚀不可避免的会发生，采用PTFE密封环，其柔性大，可在一定范围内抑制振动，减小噪音。

此方案已得到实际应用，效果良好。

2.2 方案二

鉴于导致主阀芯密封面和套筒内壁啃伤的主要原因是密封环，可取消密封环结构，同时取消主阀芯与辅助阀芯之间的卡簧连接，采用压块—螺钉连接。改造前后的结构如图3所示，去掉了主阀芯与套筒之间的密封环，同时去掉了主阀芯与辅助阀芯之间的卡簧连接，增加了一个压块，使主阀芯和辅助阀芯之间通过压块形成螺钉连接，新结构和原结构相比，消除了密封环脆裂带来的阀芯、套筒啃伤，可靠性得到提高。

图3 原结构和改造后的新结构对比

保证新结构与原结构的碟簧压缩量一致，并在此基础上进行螺钉强度校核。根据测绘结果，原始结构中单个碟簧高为2.5mm，预压缩后6个碟簧的总高为14mm，则碟簧组件的预压缩量为1mm。根据GB/T1972—2005碟簧标准要求，由碟簧计算公式：

    （1）

    （2）

    （3）

式中：F—单片碟簧的负荷，N；

E—弹性模量，根据GB/T1972—2005，E＝206000N/mm²；

t—厚度，单个碟簧的厚度实测值为1.5mm；

μ—泊松比，根据GB/T1972—2005，取值为0.3；

D—碟簧的外径，实测值为39.8mm；

d—碟簧的内径，实测值为20.6mm；

K₁—计算系数，按式（2）计算；

K₄—计算系数，根据GB/T1972—2005，无支撑面弹簧，取值为1；

f—单片碟簧的变形量，实测得1/6mm；

h₀—无支撑面碟簧压平时变形量的计算值h₀＝H₀－t，mm；

H₀—单片碟簧的自由高度，实测值为2.5mm。

算得碟簧的受力为680N。设计采用8－M4mm的螺栓替换碟簧，则单个螺栓受力F为85N。对单个螺栓，有：

    （4）

式中：A—螺栓截面积，mm²，按受力截面直径3.3mm计算。

远小于材质为316的单个螺栓的许用应力135MPa。改造后的新结构得到了实际应用，使用效果良好。

3 结束语

通过更换主阀芯密封环或将主阀芯与辅助阀芯之间用连接螺栓连接的改进后，可以有效地避免闪蒸和汽蚀带来的振动对阀芯的破坏。解决了由于密封环脆裂带来的阀芯啃伤导致失效的问题，提高了阀门的可靠性，延长了阀门使用寿命。