卸荷开关漏气量超标问题分析

何世林 王禹森 赵俊霖 黄 鹏 张牟慧同

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

卸荷开关是运载火箭中的重要控制部件，其密封性能会直接影响运载火箭增压输送系统的整体性能。因此，针对某型号火箭用卸荷开关的漏气量超标准问题进行原因查找和分析。

1 故障情况分析

1.1 卸荷开关密封形式

卸荷开关采用凸出圆弧形阀座和平面活门接触的密封形式。阀座在卸荷开关壳体内部，材料为不锈钢（1Cr18Ni9Ti）。活门密封面的材料为非金属（聚酰亚胺）。

1.2 故障件分解检查

1.2.1 分解检查情况

故障件卸荷开关的分解检查主要包括两个方面。一方面，检查与壳体运动配合面，未见异常。在体式显微镜下放大20 倍检查活门非金属密封端面，未发现多余物。另一方面，壳体螺纹完好，与活门运动配合面无异常。在体式显微镜下放大20 倍检查阀座表面，发现阀座密封面与正常机加表面不同，如图1 所示。

图1 壳体阀座表面

1.2.2 故障件壳体阀座理化分析

卸荷开关分解检查发现，壳体阀座密封面与正常机加表面不同。将壳体进行理化分析，宏观上壳体阀座密封面较其他加工表面明显粗糙。利用扫描电镜观察壳体阀座，发现阀座表面一周呈现均匀的犁沟状磨粒磨损形貌，如图2所示。

图2 壳体阀座形貌

1.3 故障原因查找

1.3.1 自动撞击

卸荷开关在不断建立压力平衡的过程中，壳体阀座和活门处于不断打开和关闭状态，使得壳体阀座密封面受到活门的振动摩擦和冲击。此过程可能造成壳体阀座表面异常，最终导致漏气量超标。为验证自动撞击是否会对壳体阀座密封面造成影响，进行了验证试验。试验对象选用与故障件卸荷开关同批次库存的卸荷开关2#，试验压力为工作压力，工作时间为30min。试验结果显示，经过持续30min 的自动撞击试验，2#卸荷开关壳体阀座密封面与试验前无明显变化，未出现与故障件壳体阀座密封面类似形貌，因此故障并非此原因导致。

1.3.2 出口气体压力过大

出口处气体气压大小决定着卸荷开关关闭时密封副所受的压力。出口处压力过大会增大密封工作压力，可能导致壳体阀座表面异常。为验证出口压力过大是否会对壳体阀座密封面造成影响，进行了验证试验。试验对象按壳体阀座形位尺寸要求，选用与壳体同种材料加工的试验件，试验压力为4000N（正常压力的2 倍），共施压30 次。试验结果显示，经过压力验证试验，试验件阀座密封面与试验前无明显变化，未出现与故障件壳体阀座密封面类似形貌，因此故障并非此原因导致。

1.3.3 阀座表面初始形貌不佳

若阀座密封面表面存在缺陷，在卸荷开关后续反复加压开关过程中，壳体阀座密封表面缺陷在挤压应力作用下会延展扩大，可能形成密封面表面形貌异常而导致漏气量超标的问题。分解与故障件卸荷开关同批的3 件库存产品，在显微镜下检查同批产品壳体阀座密封面，未发现异常，因此故障并非此原因导致。

1.3.4 冰造成密封面损伤

在卸荷开关的气体流动过程中，由于壳体阀座节流处流阻最大，会在阀座表面产生冰层或冰晶颗粒。在温度为-60℃时，冰的莫氏硬度为6（莫氏硬度是应用划痕法将棱锥形金刚钻针刻划所试矿物的表面而发生划痕，为相对硬度），而不锈钢（1Cr18Ni9Ti）的莫氏硬度为5.5。因此，当壳体阀座密封面温度降到-60℃左右时，冰粒的硬度将超过壳体阀座（1Cr18Ni9Ti）的硬度。结束后关闭活门时，壳体阀座密封面挤压冰或冰晶颗粒，在活门密封面上形成磨粒磨损导致密封性能降低，因此故障可能是此原因导致。

1.4 故障原因分析

产品大开度放气时会导致系统温度迅速降低。由于阀座节流处的温降更大，温度下降幅度大，系统中的水分会在阀座表面产生冰或冰晶颗粒。当达到一定的温度范围时，冰的莫氏硬度将大于阀座材料不锈钢的莫氏硬度。放气结束后，在卸荷开关关闭过程中，冰或冰晶颗粒对阀座表面造成磨粒损伤。当壳体阀座温度回升后，冰融化消失。

2 验证试验

为进一步验证故障原因，制定故障验证试验方案，采用故障件同批库存的3#卸荷开关，搭建故障复现试验系统。

2.1 放气降温试验

为验证放气速度对系统温降的影响程度，针对大开度打开放气开关放气（放气速度约为5MPa/min）和小开度打开放气开关放气（放气速度约为2MPa/min）两种工况进行放气降温试验。对于大开度放气，以约5MPa/min 的放气速度将气瓶压力从23MPa 放至3MPa 时，气瓶和管路上均结了一层白霜，如图3 所示。此时，安装在卸荷开关两侧的温度传感器记录的气体温度下降幅度约为60℃。对于小开度放气，以约2MPa/min 的放气速度将气瓶压力从23MPa放至3MPa 时，气瓶和管路上附着一层水珠。此时，安装在卸荷开关两侧的温度传感器记录的气体温度下降幅度约为30℃。

图3 快速放气后卸荷开关和管路表面白霜

2.2 故障验证试验

阀座处温度较低和管路系统存在一定水分时，卸荷开关阀座上会结冰或形成冰晶颗粒。为验证当卸荷开关关闭时冰对阀座造成磨粒损伤的故障模式，进行如下试验：将卸荷开关放置在液氮酒精中，创造故障产生的温度条件；向出口的气瓶内各加入100mL 纯净水，增加气体湿度；按图3 连接试验系统，进行充气放气试验5 次。试验结果表明，试验结束后，在20 倍显微镜下检查壳体阀座，发现阀座上有分布均匀的水珠。随后用扫描电镜检查试验件阀座密封面，发现阀座密封面上存在的磨粒磨损形貌与故障件一致。

2.3 试验结论

通过开展冰对1Cr18Ni9Ti 不锈钢表面造成磨粒磨损的试验验证可知，大开度的放气过程能够使产品壳体阀座处温降达到60℃以上。当阀座处初始温度较低并存在一定水汽的情况下，放气过程中阀座密封面上会形成冰或冰晶颗粒。在卸荷开关关闭时，冰或冰晶颗粒会对阀座造成磨粒损伤。

3 改进措施

针对放气过程中产生的冰或冰晶颗粒对壳体阀座密封面造成磨粒磨损导致低压漏气超标的问题，制定以下改进措施。一方面，控制阀门内气体压降速度，防止气体流速过快导致温降过大。另一方面，增加气体干燥设备，控制气体含水量。经查阅相关资料，露点-60℃压缩空气的含水量为0.011g/m3，所以需将卸荷开关的工作气体含水量降至0.011g/m3以下。

4 结语

大开度放气会导致系统温度迅速降低，导致系统中的水分在阀座表面产生冰晶颗粒。当达到一定的低温时，冰的莫氏硬度将大于阀座材料不锈钢（1Cr18NiTi）的莫氏硬度，会对阀座表面造成磨粒损伤。对于有着高密封性能要求的阀门类产品，工作人员需要控制气体流速和含水量，避免此类故障的发生，提高产品的可靠性。