啟動閥蝶盤密封失效機理研究

胡 攀, 袁洪濱, 王運卯, 程曉輝

（西安航天動力研究所，西安，710100）

0 引 言

CZ-2F火箭一二級發動機啟動閥是發動機系統的關鍵組件之一，安裝在發動機泵前管路中，屬常閉蝶型電爆閥門。在發動機起動前，起著隔離推進劑與發動機的作用；發動機起動時，由電爆管驅動打開啟動閥蝶盤，并使之鎖位在90°左右位置，使推進劑進入發動機腔內，發動機開始工作。啟動閥門可靠工作與否直接關系到發動機工作的成敗。啟動閥門結構簡圖見圖1。

圖1 啟動閥門結構簡圖Fig.1 Principium of Starting Valve

啟動閥的蝶盤薄壁刻痕處剩余厚度較小，因此該部位在長期貯存過程中，受環境溫度變化、濕度變化及空氣中氧等作用，存在表面氧化腐蝕的風險；另外由于啟動閥蝶盤密封處密封通過12個螺栓進行壓緊，若該處出現蠕變，密封應力下降到一定程度，則會使啟動閥門密封隔離推進劑的作用失效，同時對電爆正常撕裂及鎖位產生一定影響，影響蝶盤打開及鎖位。

連接蝶盤所使用的螺栓和螺母材料分別為高強鋁合金和高強鋼，高強鋁合金出現蠕變特性的溫度為100 ℃以上，高強鋼出現蠕變特性的溫度需達到450 ℃以上，而純鋁在室溫下即可表現蠕變特性，因此只考慮蝶盤純鋁的蠕變特性進行分析研究。

1 問題分析

根據啟動閥的工況，其密封性能主要受兩個因素的影響：蝶盤的蠕變以及刻痕處氧化腐蝕共同導致的預緊力的松弛。

a）刻痕在預緊力作用下的腐蝕。即純鋁和空氣中的氧、水分發生化學反應，導致薄壁刻痕剩余厚度減小，當減小到一定程度，刻痕不能承受工作前的介質壓力，導致刻痕破裂，推進劑泄漏，發生失效；

b）蝶盤薄壁在預緊力作用下保證密封，純鋁在常溫下表現出應力松弛的現象，即密封部位的彈性密封應力（比壓）隨著時間增加逐漸減小，當放置一段時間后，密封部位的應力下降到不足密封啟動閥前的介質時，發生外泄漏，密封部位失效。

根據以上分析，在貯存條件下的應力松弛和腐蝕影響到啟動閥密封可靠性。

2 研究內容

根據以上分析，研究方案主要包括以下幾個方面的內容：

a）薄壁刻痕蠕變速率檢測和鋁合金蠕變速率理論曲線擬合。依據測量得到的應變速率變化通過理論公式獲得薄壁刻痕結構鋁合金常溫裝配應力下蠕變速率雙對數曲線。

b）鋁合金氧化層厚度檢測。

c）密封性力矩摸索試驗。

d）仿真計算：綜合上述研究結果，對刻痕部位進行建模，模擬裝配和貯存環境下刻痕密封性能變化情況，得到閥門能夠正常密封的預估壽命。

3 蠕變速率測試及分析

為了獲得啟動閥在密封狀態下的蠕變情況，先對其應力狀況進行分析。

螺栓的預緊力矩：

式中為擰緊力系數，這里取0.2；P為預緊力；為螺紋公稱直徑。

根據啟動閥的安裝工況計算得到總預緊力。

作用在膜片上的預緊應力為

式中為接觸區域面積；為總預緊力。

在應力的作用下金屬的蠕變通常遵循冪律蠕變（Power law creep）：

當得到某壓力下的蠕變變形后通過擬合-的曲線后求導可以得到，則可以求出蠕變常數為

則在任意一應力下的蠕變情況都可以擬合為

此時的任意一應力下的蠕變情況可以修正為

電子蠕變松弛試驗機主要用于金屬材料的高溫拉伸蠕變，持久強度、松弛、低周疲勞和蠕變疲勞試驗。其配備的加熱爐也可以滿足不同恒定以及變溫條件下的蠕變試驗。獲得任意一壓應力下的蠕變速率，可以幫助獲得密封蝶盤的蠕變情況。在前期的小應力測試下，發現其趨勢基本符合小應力下的蠕變曲線，小應力下的蠕變曲線如圖2所示。下一步可以通過繼續增大壓應力以獲得高應力作用下的蠕變曲線，這樣便可以根據：

圖2 小應力下的鋁材料蠕變曲線Fig.2 Aluminum’s Creeping Line of Low Stress

擬合出該應力范圍內任意一壓應力的蠕變速率。

從而得到蠕變速率與應力的對數關系：

式中，為擬合后得到的系數，通過式（9）便可以計算低應力下的蠕變速率，得到臨界應變下的蠕變時間（壽命）。

4 鋁表面氧化層試驗

啟動閥刻痕在預緊力作用下的腐蝕，即純鋁和空氣中的氧、水分發生化學反應，導致薄壁刻痕剩余厚度減小。由于在氧化層生長過程中已生長的氧化鋁層會起到隔離空氣的作用，氧化速率會逐漸降低。現有的測量氧化鋁厚度的方法一般采用光學測量，包括直讀式目鏡測微尺、金相顯微鏡測厚等方法。但由于自然情況下氧化鋁的厚度較小，使用這些方法誤差較大，因此需采用XPS（X射線光電子能譜）、TEM（電子透射顯微鏡）或者SEM（掃描電子顯微鏡）等方法測量。按照GB/T6462-2005《金屬和氧化物覆蓋層：厚度測量-顯微鏡法》標準的規定，把實驗樣品切割、研磨并拋光，制成截面金相樣后置于顯微鏡或者電鏡下進行觀察，沿長度方向選取5點進行測量，選取平均值作為氧化層的平均厚度。

為了能順利在SEM（掃描電子顯微鏡）下進行觀察，本實驗首先將將鋁棒（直徑20 mm）先切割為 40 mm長度的樣品，然后依次采用粒徑為200 μm、800 μm、2000 μm的水磨砂紙進行初步打磨（見圖3），鋁樣品表面的光潔度在每個階段都有了明顯程度的提高。再將鋁棒切為厚度為1 mm的薄片，并在空氣中分別放置時間為24 h、48 h和72 h后，通過拋光側面進行氧化層的觀察。由于SEM樣品臺的限制，測試前還需要將薄片切為1/4圓的形狀方便觀察，如圖4所示。

圖3 初始樣品制備Fig.3 Original Sample Piece Preparation

圖4 SEM樣品制備Fig.4 SEM Sample Piece Preparation

由于金屬和氧化物之間都一定存在著強大的粘結力，并且鋁元素具有天然的活潑型，當暴露在氧氣中時，開始的氧化增長速率是很快的，接著就是一個顯著的速率減緩，當達到一定臨界厚度后，增長將會停止或近乎停止。

圖5為1035鋁表面氧化層厚度隨時間的變化。氧化層厚度在24 h內已經達到穩定厚度64 μm，不到總厚度的10%。因此其對密封件中的應力分布及蠕變過程的影響可以忽略。所以，在有限元建模中，可不考慮氧化層部分。

圖5 鋁表面氧化層變化Fig.5 The Change of Aluminum Surface’S Oxidizing Layer

5 密封性力矩摸索試驗

利用批次典型試驗和試車后產品，進行10臺閥門螺母的擰緊力矩和泄漏之間的關系，校核結果見圖6。出現泄漏的產品力矩均低于10 N·m。

圖6 力矩校核結果Fig.6 The Test Result of Force Moment

6 有限元法計算結果討論

蠕變的有限元計算主要是利用實驗的材料參數后，再將所獲得的參數使用于有限元的分析模型中，以求獲得其應力、應變、蠕應力、蠕應變等內部結構經外力、時間或溫度所造成的效應。蠕變分析通常采用3種蠕變定律描述粘塑材料行為。冪次法則模式（Power-law Model）可應用于仿真等溫與固定負載下的蠕變行為，根據其所采用的定律可分為時間硬化率（Time Hardening）及應變硬化率（Strain Hardening）關系式。非等溫情況下則使用Garofalo-Arrhenius雙曲正弦法則模式。

首先要選取適合的模型。圖7為有限元網格。當應力保持不變時，選取Power-law模型中的時間硬化率模型最合適。針對本項目的研究內容，在進行有限元計算時，選取時間硬化率選項：

圖7 有限元網格Fig.7 Finite Element Grids

由于本研究中鋁發生了大的塑性變形，因此劃分網格時選取二次四面體單元，對于大變形和接觸問題，這種單元是強健的，展示了很小的剪切和體積自鎖，選用彈-塑性分析模型。鋁合金采用雙線性強化彈-塑性力學模型，即其應力應變曲線有兩個斜率，彈性斜率和塑性斜率，也稱為彈性模量和切向模量。雙線性強化模型的數學表達式如下：

式中為應力，GPa；為應變；為彈性模量，GPa；E為切向模量，GPa；為屈服應變。

通過靜態加載過程的分析后，結構中將產生一個應力場，接下來可以進行蠕變過程的計算。蠕變過程的計算主要分為兩個過程：獲得該結構材料的蠕變模型參數和建立蠕變分析仿真模型。材料的蠕變參數可通過蠕變測試試驗得到。由于蠕變是一個時間相關的過程，因此必須計入時間；同時蠕變又是一個慣性效應不明顯的過程，即結構的加速度效應不用考慮。

由于密封失效與膜片位于密封區域的應力直接相關，因此計算結束后，取膜片密封面上的應力分布進行分析。

圖8為靜態加載結束后，膜片密封面上的應力分布，可以看出最大應力為41.6 MPa。

圖8 密封面上的應力分布（靜態）Fig.8 The Stress of Sealing Surface (Static Situation)

隨著蠕變時間增加，膜片中的最大應力值減小，圖9為最大應力隨著蠕變時間的變化計算曲線。從圖9中可以看出，最大應力的減小速率隨著蠕變時間的增加而減小，這是由于，隨著蠕變過程的進行，膜片中的應力逐漸減小，因此材料的蠕變速率也跟著減小，這反過來又導致應力減小的速率也減小。從圖9中可以看出，應力減小速率越來越小，當蠕變時間增加至4×10s時，膜片中的應力基本穩定在14.5 MPa。

實際工況下，當螺母力矩降低為10 N·m，密封失效，對應的壓力載荷為10.8 MPa；仿真計算密封面最大應力下降至14.5 MPa趨于穩定且不再下降，此時應力離10.8 MPa還有一定裕度。因此，啟動閥蝶盤長期密封壽命理論上為無限壽命。

圖9 密封面最大應力隨蠕變時間變化（動態）Fig.9 The Changing Stress of Sealing Surface(Dynamic Situation)

7 結束語

啟動閥蝶盤刻痕密封失效的機理研究表明，啟動閥蝶盤部位的密封壽命為無限壽命；可以通過校核測量啟動閥安裝螺母的力矩大小來監控蝶盤的密封性能，掌握啟動閥工作前狀態。