卸荷阀门泄漏问题故障分析与处理

2021-02-21王鑫范晓雷李东华丁浩魏志远

机械工程师 2021年2期

关键词：压痕密封面卸荷

王鑫，范晓雷，李东华，丁浩，魏志远

（首都航天机械有限公司，北京100076）

0 引言

阀门是火箭增压输送系统中的重要部件[1]，某卸荷阀门用于某型号箭体增压输送系统中，主要作用是给气瓶充放气。在最近2 a的靶场测试时，发生过2次泄漏问题，给该型号火箭发射任务带来了一定的影响。

将故障阀门分解，发现阀芯非金属密封面上存在异常压痕，导向运动面上存在磨损痕迹，通过分析异常压痕和导向面上磨损痕迹，找到造成阀门泄漏的原因。

1 卸荷阀门简介

卸荷阀门结构示意图如图1所示，该卸荷阀门为手动阀门，可对气体介质实现单向导通、反向截止的作用。阀门入口接地面配气台，出口接箭上气瓶。通过拧手轮1带动顶杆2可以将阀芯4顶开，此时入口和出口连通，配气台给气瓶充气。当气瓶充气完成，反向拧手轮1，此时顶杆2退回，阀芯在弹簧力和气体的共同作用下回位关闭，此时气瓶开始保压。

卸荷阀门的密封结构采用金属和非金属密封，金属密封部位在阀门壳体上，用成型刀具加工剖面形状为圆弧形的密封环带，又叫活门座，通过抛光的方法保证活门座粗糙度达到Ra0.2 μm[2]。阀芯上密封面为非金属，材料为可溶性聚酰亚胺，通过热压的方式镶嵌到阀芯上，最后通过机械加工的方法保证密封面粗糙度为Ra0.2 μm。

图1 卸荷阀门结构图

2 故障件现象

在最近2 a的靶场测试时，卸荷阀门出现过2次泄漏问题，原因均为活阀密封面上存在异常压痕。最近一次出现问题是在2019 年初，在靶场进行系统测试时，卸荷阀门打开给气瓶充气，当气瓶压力为21 MPa时，关闭卸荷阀门，此时通过入口管路测量阀门漏率，漏率为0 泡/min。通过卸荷阀门将气瓶压力由21 MPa放气至5 MPa，此时再对卸荷阀门检漏，漏率变为690 mL/s，已经大漏，要求漏率不大于3 泡/min。现场更换备件后，将故障阀门返厂分解，分解后发现阀芯密封面有一处异常压痕，如图3所示。阀芯和壳体内孔导向面有严重磨损痕迹，如图4和图5所示。

图2 卸荷阀门密封结构示意图

图3 阀芯异常压痕宏观图

图4 阀芯导向面磨损图

图5 壳体导向孔磨损情况图

3 故障件失效分析

3.1 阀芯密封压痕形貌分析

故障件分解后，发现阀芯密封面有一处异常压痕。分解一件正常产品后取出阀芯，对比故障件阀芯和正常件阀芯的密封面压痕形貌，如图6所示。目视观察正常件阀芯一圈密封压痕宽度均匀无突变，故障件阀芯密封面存在一处异常压痕。在超景深显微镜下测量正常件阀芯压痕和故障件阀芯压痕尺寸，正常件阀芯密封面整周压痕均匀无突变，压痕深14.01 μm，宽度366.5 μm。故障件阀芯密封面压痕存在突变，突变处约占整圈压痕的1/4，异常区压痕呈月牙形，相对其它区域的压痕较深、较宽，测得压痕中部最大宽度约734.1 μm，压痕深114 μm，异常压痕区没有重复压痕，为一次成形；其它区域压痕深度、宽度均较均匀，且异常压痕与其它区域压痕明显不同心；整圈压痕区域未见明显的材料缺陷，未见嵌入表面的多余物及其它机械损伤痕迹。压痕深度和宽度测量结果如表1所示。

图6 正常件和故障件压痕对比形貌图

表1 正常件和故障件压痕测量结果 μm

3.2 导向运动副磨损形貌分析

分解后发现壳体导向孔和阀芯导向面有严重磨损痕迹。卸荷阀门工作时，阀芯会在壳体导向孔内往复运动，正常产品一般不会出现导向面磨损情况。故障件出现了导向面磨损，需重点关注。

观察故障件阀芯导向面磨损情况（如图7），在距离密封面一侧的端面约5 mm处存在周向磨损痕迹，磨痕宽度约为1 mm。

观察故障件壳体导向孔，形貌如图8所示。在距离密封面约5 mm位置可见一周向的磨损痕迹，痕迹尺寸宽约1 mm，进一步放大观察整个损伤区域呈层叠状磨损痕迹、形貌。

图7 阀芯导向面磨损情况

图8 导向孔磨损情况

将故障件阀芯和剖切后有磨损形貌的壳体导向面放入电镜中，观察磨损区及其附近形貌并进行能谱分析，阀芯磨损区域表面存在颗粒物主要为Al、O元素，应为氧化铝颗粒，个别含有Ti、N、O、Fe元素，应为氮化钛或氧化铁颗粒，形貌和能谱如图9所示。壳体磨损区域表面可见弥散分布的嵌入颗粒物。能谱分析后发现，主合金元素及含量与1Cr18Ni9Ti牌号相符，磨损区域颗粒物主要为Al、O元素，应为氧化铝颗粒，形貌及能谱如图10所示。

图9 阀芯表面氧化铝形貌尺寸及能谱成分

图10 壳体磨损区域多余物形貌及能谱分析图

将壳体内壁和活阀导向面纵向损伤痕进行比对，二者的相对位置、形态及尺寸均相似，由此判断二者应为匹配磨损面。根据二者磨损区域特征，判断壳体与阀芯在该位置发生了黏着磨损。发生黏着磨损的原因应与活阀表面的氧化铝颗粒有关，壳体与阀芯位置关系如图11所示。

图11 阀芯与壳体位置关系图

3.3 故障机理分析

图12 阀门泄漏示意图

1）卸荷阀门泄漏的原因。在阀门密封时，必须保证壳体活门座和阀芯密封面紧密贴合。由于故障件产生异常压痕，阀芯关闭时密封面压痕深度不均匀，导致密封副彼此无法紧密贴合，形成泄漏通道，从而造成阀门泄漏，如图12所示。

2）异常压痕产生的原因。在正常情况下阀芯密封面是不会产生异常压痕的。测量故障件阀芯外圆尺寸和壳体导向孔尺寸，计算出导向间隙，再测2处阀芯的长度，通过换算，故障件阀芯在导向孔中最大偏斜角度0.5°。利用Abaqus软件进行建模仿真计算，仿真结果如图13所示。在5 MPa气体压力作用下，非金属密封面压痕分布状态与故障件基本一致，说明故障件阀芯在极限偏斜状态下关闭时会形成密封带一边深、一边浅的异常压痕。

图13 阀芯密封面仿真位移云图

电镜下发现导向密封面上存在较多的氧化铝颗粒，这是因为阀芯外圆采用无心磨加工，经化验确定无心磨砂轮的成分也是氧化铝，可以断定阀芯外圆加工后表面会嵌有较多的氧化铝颗粒。此阀门导向运动副不允许涂润滑油，阀芯动作时为干摩擦，壳体导向孔和阀芯导向面材料分别为不锈钢F151和1Cr18Ni9Ti，虽然是不同牌号的不锈钢，但材料成分相近，阀芯多次运动后容易发生黏着磨损，在有微小氧化铝颗粒的作用下会加速黏着磨损。

在5 MPa下卸荷阀门检漏时大漏，是因为此时打开卸荷阀门，将气瓶压力由21 MPa放气至5 MPa，在此过程中阀芯和壳体已经发生黏着磨损并出现卡滞，阀芯已经偏斜，如图14所示。

为防止卸荷阀门关闭时发生颤振，当气瓶压力放气至5 MPa时，靶场操作过程为关闭配气台开关后再关闭卸荷阀门，但此时卸荷阀门手轮虽然已经拧到关闭位置，但阀芯由于卡滞并没有回位，如图15所示。当配气台放掉阀门出口压力后，开始检漏前，阀芯两侧形成压差，阀芯在弹簧力和气体压力的共同作用下快速回位（如图16），由于活阀已经偏斜，阀芯密封面与阀座局部接触，接触面局部应力过大，形成异常压痕，造成卸荷阀门5 MPa气密检查时泄漏。