卸荷開關漏氣量超標問題分析

何世林 王禹森 趙俊霖 黃 鵬 張牟慧同

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

卸荷開關是運載火箭中的重要控制部件，其密封性能會直接影響運載火箭增壓輸送系統的整體性能。因此，針對某型號火箭用卸荷開關的漏氣量超標準問題進行原因查找和分析。

1 故障情況分析

1.1 卸荷開關密封形式

卸荷開關采用凸出圓弧形閥座和平面活門接觸的密封形式。閥座在卸荷開關殼體內部，材料為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）。活門密封面的材料為非金屬（聚酰亞胺）。

1.2 故障件分解檢查

1.2.1 分解檢查情況

故障件卸荷開關的分解檢查主要包括兩個方面。一方面，檢查與殼體運動配合面，未見異常。在體式顯微鏡下放大20 倍檢查活門非金屬密封端面，未發現多余物。另一方面，殼體螺紋完好，與活門運動配合面無異常。在體式顯微鏡下放大20 倍檢查閥座表面，發現閥座密封面與正常機加表面不同，如圖1 所示。

圖1 殼體閥座表面

1.2.2 故障件殼體閥座理化分析

卸荷開關分解檢查發現，殼體閥座密封面與正常機加表面不同。將殼體進行理化分析，宏觀上殼體閥座密封面較其他加工表面明顯粗糙。利用掃描電鏡觀察殼體閥座，發現閥座表面一周呈現均勻的犁溝狀磨粒磨損形貌，如圖2所示。

圖2 殼體閥座形貌

1.3 故障原因查找

1.3.1 自動撞擊

卸荷開關在不斷建立壓力平衡的過程中，殼體閥座和活門處于不斷打開和關閉狀態，使得殼體閥座密封面受到活門的振動摩擦和沖擊。此過程可能造成殼體閥座表面異常，最終導致漏氣量超標。為驗證自動撞擊是否會對殼體閥座密封面造成影響，進行了驗證試驗。試驗對象選用與故障件卸荷開關同批次庫存的卸荷開關2#，試驗壓力為工作壓力，工作時間為30min。試驗結果顯示，經過持續30min 的自動撞擊試驗，2#卸荷開關殼體閥座密封面與試驗前無明顯變化，未出現與故障件殼體閥座密封面類似形貌，因此故障并非此原因導致。

1.3.2 出口氣體壓力過大

出口處氣體氣壓大小決定著卸荷開關關閉時密封副所受的壓力。出口處壓力過大會增大密封工作壓力，可能導致殼體閥座表面異常。為驗證出口壓力過大是否會對殼體閥座密封面造成影響，進行了驗證試驗。試驗對象按殼體閥座形位尺寸要求，選用與殼體同種材料加工的試驗件，試驗壓力為4000N（正常壓力的2 倍），共施壓30 次。試驗結果顯示，經過壓力驗證試驗，試驗件閥座密封面與試驗前無明顯變化，未出現與故障件殼體閥座密封面類似形貌，因此故障并非此原因導致。

1.3.3 閥座表面初始形貌不佳

若閥座密封面表面存在缺陷，在卸荷開關后續反復加壓開關過程中，殼體閥座密封表面缺陷在擠壓應力作用下會延展擴大，可能形成密封面表面形貌異常而導致漏氣量超標的問題。分解與故障件卸荷開關同批的3 件庫存產品，在顯微鏡下檢查同批產品殼體閥座密封面，未發現異常，因此故障并非此原因導致。

1.3.4 冰造成密封面損傷

在卸荷開關的氣體流動過程中，由于殼體閥座節流處流阻最大，會在閥座表面產生冰層或冰晶顆粒。在溫度為-60℃時，冰的莫氏硬度為6（莫氏硬度是應用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試礦物的表面而發生劃痕，為相對硬度），而不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）的莫氏硬度為5.5。因此，當殼體閥座密封面溫度降到-60℃左右時，冰粒的硬度將超過殼體閥座（1Cr18Ni9Ti）的硬度。結束后關閉活門時，殼體閥座密封面擠壓冰或冰晶顆粒，在活門密封面上形成磨粒磨損導致密封性能降低，因此故障可能是此原因導致。

1.4 故障原因分析

產品大開度放氣時會導致系統溫度迅速降低。由于閥座節流處的溫降更大，溫度下降幅度大，系統中的水分會在閥座表面產生冰或冰晶顆粒。當達到一定的溫度范圍時，冰的莫氏硬度將大于閥座材料不銹鋼的莫氏硬度。放氣結束后，在卸荷開關關閉過程中，冰或冰晶顆粒對閥座表面造成磨粒損傷。當殼體閥座溫度回升后，冰融化消失。

2 驗證試驗

為進一步驗證故障原因，制定故障驗證試驗方案，采用故障件同批庫存的3#卸荷開關，搭建故障復現試驗系統。

2.1 放氣降溫試驗

為驗證放氣速度對系統溫降的影響程度，針對大開度打開放氣開關放氣（放氣速度約為5MPa/min）和小開度打開放氣開關放氣（放氣速度約為2MPa/min）兩種工況進行放氣降溫試驗。對于大開度放氣，以約5MPa/min 的放氣速度將氣瓶壓力從23MPa 放至3MPa 時，氣瓶和管路上均結了一層白霜，如圖3 所示。此時，安裝在卸荷開關兩側的溫度傳感器記錄的氣體溫度下降幅度約為60℃。對于小開度放氣，以約2MPa/min 的放氣速度將氣瓶壓力從23MPa放至3MPa 時，氣瓶和管路上附著一層水珠。此時，安裝在卸荷開關兩側的溫度傳感器記錄的氣體溫度下降幅度約為30℃。

圖3 快速放氣后卸荷開關和管路表面白霜

2.2 故障驗證試驗

閥座處溫度較低和管路系統存在一定水分時，卸荷開關閥座上會結冰或形成冰晶顆粒。為驗證當卸荷開關關閉時冰對閥座造成磨粒損傷的故障模式，進行如下試驗：將卸荷開關放置在液氮酒精中，創造故障產生的溫度條件；向出口的氣瓶內各加入100mL 純凈水，增加氣體濕度；按圖3 連接試驗系統，進行充氣放氣試驗5 次。試驗結果表明，試驗結束后，在20 倍顯微鏡下檢查殼體閥座，發現閥座上有分布均勻的水珠。隨后用掃描電鏡檢查試驗件閥座密封面，發現閥座密封面上存在的磨粒磨損形貌與故障件一致。

2.3 試驗結論

通過開展冰對1Cr18Ni9Ti 不銹鋼表面造成磨粒磨損的試驗驗證可知，大開度的放氣過程能夠使產品殼體閥座處溫降達到60℃以上。當閥座處初始溫度較低并存在一定水汽的情況下，放氣過程中閥座密封面上會形成冰或冰晶顆粒。在卸荷開關關閉時，冰或冰晶顆粒會對閥座造成磨粒損傷。

3 改進措施

針對放氣過程中產生的冰或冰晶顆粒對殼體閥座密封面造成磨粒磨損導致低壓漏氣超標的問題，制定以下改進措施。一方面，控制閥門內氣體壓降速度，防止氣體流速過快導致溫降過大。另一方面，增加氣體干燥設備，控制氣體含水量。經查閱相關資料，露點-60℃壓縮空氣的含水量為0.011g/m3，所以需將卸荷開關的工作氣體含水量降至0.011g/m3以下。

4 結語

大開度放氣會導致系統溫度迅速降低，導致系統中的水分在閥座表面產生冰晶顆粒。當達到一定的低溫時，冰的莫氏硬度將大于閥座材料不銹鋼（1Cr18NiTi）的莫氏硬度，會對閥座表面造成磨粒損傷。對于有著高密封性能要求的閥門類產品，工作人員需要控制氣體流速和含水量，避免此類故障的發生，提高產品的可靠性。