卸荷閥門泄漏問題故障分析與處理

王鑫，范曉雷，李東華，丁浩，魏志遠(yuǎn)

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

0 引言

閥門是火箭增壓輸送系統(tǒng)中的重要部件[1]，某卸荷閥門用于某型號(hào)箭體增壓輸送系統(tǒng)中，主要作用是給氣瓶充放氣。在最近2 a的靶場(chǎng)測(cè)試時(shí)，發(fā)生過2次泄漏問題，給該型號(hào)火箭發(fā)射任務(wù)帶來了一定的影響。

將故障閥門分解，發(fā)現(xiàn)閥芯非金屬密封面上存在異常壓痕，導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)面上存在磨損痕跡，通過分析異常壓痕和導(dǎo)向面上磨損痕跡，找到造成閥門泄漏的原因。

1 卸荷閥門簡(jiǎn)介

卸荷閥門結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該卸荷閥門為手動(dòng)閥門，可對(duì)氣體介質(zhì)實(shí)現(xiàn)單向?qū)?、反向截止的作用。閥門入口接地面配氣臺(tái)，出口接箭上氣瓶。通過擰手輪1帶動(dòng)頂桿2可以將閥芯4頂開，此時(shí)入口和出口連通，配氣臺(tái)給氣瓶充氣。當(dāng)氣瓶充氣完成，反向擰手輪1，此時(shí)頂桿2退回，閥芯在彈簧力和氣體的共同作用下回位關(guān)閉，此時(shí)氣瓶開始保壓。

卸荷閥門的密封結(jié)構(gòu)采用金屬和非金屬密封，金屬密封部位在閥門殼體上，用成型刀具加工剖面形狀為圓弧形的密封環(huán)帶，又叫活門座，通過拋光的方法保證活門座粗糙度達(dá)到Ra0.2 μm[2]。閥芯上密封面為非金屬，材料為可溶性聚酰亞胺，通過熱壓的方式鑲嵌到閥芯上，最后通過機(jī)械加工的方法保證密封面粗糙度為Ra0.2 μm。

圖1 卸荷閥門結(jié)構(gòu)圖

2 故障件現(xiàn)象

在最近2 a的靶場(chǎng)測(cè)試時(shí)，卸荷閥門出現(xiàn)過2次泄漏問題，原因均為活閥密封面上存在異常壓痕。最近一次出現(xiàn)問題是在2019 年初，在靶場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，卸荷閥門打開給氣瓶充氣，當(dāng)氣瓶壓力為21 MPa時(shí)，關(guān)閉卸荷閥門，此時(shí)通過入口管路測(cè)量閥門漏率，漏率為0 泡/min。通過卸荷閥門將氣瓶壓力由21 MPa放氣至5 MPa，此時(shí)再對(duì)卸荷閥門檢漏，漏率變?yōu)?90 mL/s，已經(jīng)大漏，要求漏率不大于3 泡/min?，F(xiàn)場(chǎng)更換備件后，將故障閥門返廠分解，分解后發(fā)現(xiàn)閥芯密封面有一處異常壓痕，如圖3所示。閥芯和殼體內(nèi)孔導(dǎo)向面有嚴(yán)重磨損痕跡，如圖4和圖5所示。

圖2 卸荷閥門密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 閥芯異常壓痕宏觀圖

圖4 閥芯導(dǎo)向面磨損圖

圖5 殼體導(dǎo)向孔磨損情況圖

3 故障件失效分析

3.1 閥芯密封壓痕形貌分析

故障件分解后，發(fā)現(xiàn)閥芯密封面有一處異常壓痕。分解一件正常產(chǎn)品后取出閥芯，對(duì)比故障件閥芯和正常件閥芯的密封面壓痕形貌，如圖6所示。目視觀察正常件閥芯一圈密封壓痕寬度均勻無突變，故障件閥芯密封面存在一處異常壓痕。在超景深顯微鏡下測(cè)量正常件閥芯壓痕和故障件閥芯壓痕尺寸，正常件閥芯密封面整周壓痕均勻無突變，壓痕深14.01 μm，寬度366.5 μm。故障件閥芯密封面壓痕存在突變，突變處約占整圈壓痕的1/4，異常區(qū)壓痕呈月牙形，相對(duì)其它區(qū)域的壓痕較深、較寬，測(cè)得壓痕中部最大寬度約734.1 μm，壓痕深114 μm，異常壓痕區(qū)沒有重復(fù)壓痕，為一次成形；其它區(qū)域壓痕深度、寬度均較均勻，且異常壓痕與其它區(qū)域壓痕明顯不同心；整圈壓痕區(qū)域未見明顯的材料缺陷，未見嵌入表面的多余物及其它機(jī)械損傷痕跡。壓痕深度和寬度測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖6 正常件和故障件壓痕對(duì)比形貌圖

表1 正常件和故障件壓痕測(cè)量結(jié)果 μm

3.2 導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)副磨損形貌分析

分解后發(fā)現(xiàn)殼體導(dǎo)向孔和閥芯導(dǎo)向面有嚴(yán)重磨損痕跡。卸荷閥門工作時(shí)，閥芯會(huì)在殼體導(dǎo)向孔內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，正常產(chǎn)品一般不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)向面磨損情況。故障件出現(xiàn)了導(dǎo)向面磨損，需重點(diǎn)關(guān)注。

觀察故障件閥芯導(dǎo)向面磨損情況（如圖7），在距離密封面一側(cè)的端面約5 mm處存在周向磨損痕跡，磨痕寬度約為1 mm。

觀察故障件殼體導(dǎo)向孔，形貌如圖8所示。在距離密封面約5 mm位置可見一周向的磨損痕跡，痕跡尺寸寬約1 mm，進(jìn)一步放大觀察整個(gè)損傷區(qū)域呈層疊狀磨損痕跡、形貌。

圖7 閥芯導(dǎo)向面磨損情況

圖8 導(dǎo)向孔磨損情況

將故障件閥芯和剖切后有磨損形貌的殼體導(dǎo)向面放入電鏡中，觀察磨損區(qū)及其附近形貌并進(jìn)行能譜分析，閥芯磨損區(qū)域表面存在顆粒物主要為Al、O元素，應(yīng)為氧化鋁顆粒，個(gè)別含有Ti、N、O、Fe元素，應(yīng)為氮化鈦或氧化鐵顆粒，形貌和能譜如圖9所示。殼體磨損區(qū)域表面可見彌散分布的嵌入顆粒物。能譜分析后發(fā)現(xiàn)，主合金元素及含量與1Cr18Ni9Ti牌號(hào)相符，磨損區(qū)域顆粒物主要為Al、O元素，應(yīng)為氧化鋁顆粒，形貌及能譜如圖10所示。

圖9 閥芯表面氧化鋁形貌尺寸及能譜成分

圖10 殼體磨損區(qū)域多余物形貌及能譜分析圖

將殼體內(nèi)壁和活閥導(dǎo)向面縱向損傷痕進(jìn)行比對(duì)，二者的相對(duì)位置、形態(tài)及尺寸均相似，由此判斷二者應(yīng)為匹配磨損面。根據(jù)二者磨損區(qū)域特征，判斷殼體與閥芯在該位置發(fā)生了黏著磨損。發(fā)生黏著磨損的原因應(yīng)與活閥表面的氧化鋁顆粒有關(guān)，殼體與閥芯位置關(guān)系如圖11所示。

圖11 閥芯與殼體位置關(guān)系圖

3.3 故障機(jī)理分析

圖12 閥門泄漏示意圖

1）卸荷閥門泄漏的原因。在閥門密封時(shí)，必須保證殼體活門座和閥芯密封面緊密貼合。由于故障件產(chǎn)生異常壓痕，閥芯關(guān)閉時(shí)密封面壓痕深度不均勻，導(dǎo)致密封副彼此無法緊密貼合，形成泄漏通道，從而造成閥門泄漏，如圖12所示。

2）異常壓痕產(chǎn)生的原因。在正常情況下閥芯密封面是不會(huì)產(chǎn)生異常壓痕的。測(cè)量故障件閥芯外圓尺寸和殼體導(dǎo)向孔尺寸，計(jì)算出導(dǎo)向間隙，再測(cè)2處閥芯的長(zhǎng)度，通過換算，故障件閥芯在導(dǎo)向孔中最大偏斜角度0.5°。利用Abaqus軟件進(jìn)行建模仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖13所示。在5 MPa氣體壓力作用下，非金屬密封面壓痕分布狀態(tài)與故障件基本一致，說明故障件閥芯在極限偏斜狀態(tài)下關(guān)閉時(shí)會(huì)形成密封帶一邊深、一邊淺的異常壓痕。

圖13 閥芯密封面仿真位移云圖

電鏡下發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向密封面上存在較多的氧化鋁顆粒，這是因?yàn)殚y芯外圓采用無心磨加工，經(jīng)化驗(yàn)確定無心磨砂輪的成分也是氧化鋁，可以斷定閥芯外圓加工后表面會(huì)嵌有較多的氧化鋁顆粒。此閥門導(dǎo)向運(yùn)動(dòng)副不允許涂潤(rùn)滑油，閥芯動(dòng)作時(shí)為干摩擦，殼體導(dǎo)向孔和閥芯導(dǎo)向面材料分別為不銹鋼F151和1Cr18Ni9Ti，雖然是不同牌號(hào)的不銹鋼，但材料成分相近，閥芯多次運(yùn)動(dòng)后容易發(fā)生黏著磨損，在有微小氧化鋁顆粒的作用下會(huì)加速黏著磨損。

在5 MPa下卸荷閥門檢漏時(shí)大漏，是因?yàn)榇藭r(shí)打開卸荷閥門，將氣瓶壓力由21 MPa放氣至5 MPa，在此過程中閥芯和殼體已經(jīng)發(fā)生黏著磨損并出現(xiàn)卡滯，閥芯已經(jīng)偏斜，如圖14所示。

為防止卸荷閥門關(guān)閉時(shí)發(fā)生顫振，當(dāng)氣瓶壓力放氣至5 MPa時(shí)，靶場(chǎng)操作過程為關(guān)閉配氣臺(tái)開關(guān)后再關(guān)閉卸荷閥門，但此時(shí)卸荷閥門手輪雖然已經(jīng)擰到關(guān)閉位置，但閥芯由于卡滯并沒有回位，如圖15所示。當(dāng)配氣臺(tái)放掉閥門出口壓力后，開始檢漏前，閥芯兩側(cè)形成壓差，閥芯在彈簧力和氣體壓力的共同作用下快速回位（如圖16），由于活閥已經(jīng)偏斜，閥芯密封面與閥座局部接觸，接觸面局部應(yīng)力過大，形成異常壓痕，造成卸荷閥門5 MPa氣密檢查時(shí)泄漏。

圖14 閥芯偏斜示意圖

圖15 頂桿退回后閥芯卡滯示意圖

圖16 活閥歪斜回位示意圖

4 故障處理

由于閥門生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，與故障件同批驗(yàn)收合格的卸荷閥門還要繼續(xù)使用。現(xiàn)階段措施為：在后續(xù)箭體總裝時(shí)，對(duì)此路安裝2個(gè)卸荷閥門，增加冗余，提高可靠性。后續(xù)措施為對(duì)閥門閥芯導(dǎo)向部位進(jìn)行設(shè)計(jì)和工藝改進(jìn)，提高單機(jī)產(chǎn)品可靠性。

5 結(jié)語

卸荷閥門泄漏的原因是導(dǎo)向部位多次運(yùn)動(dòng)后出現(xiàn)黏著磨損，閥芯最后一次打開后發(fā)生卡滯，當(dāng)閥門入口卸壓后，閥芯偏斜回位，使閥芯密封面偏斜壓入殼體活門座上，由于局部接觸應(yīng)力過大，形成異常壓痕，從而造成閥門泄漏。

當(dāng)兩運(yùn)動(dòng)部件為干摩擦?xí)r，零件材料不宜選擇同種材料和相近材料，同時(shí)應(yīng)盡量不選用磨削加工方法，避免導(dǎo)向表面微觀嵌有微小砂輪顆粒，加速黏著磨損。

此問題的解決措施是在箭體的氣瓶充氣管路上串聯(lián)2個(gè)卸荷閥門，增加冗余。用此方法改進(jìn)后提高了可靠性。