液氫溫度下基于SolidWorks的手動球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算*

妙 叢，趙 康，張 震

(北京航天試驗技術(shù)研究所，北京 100074)

0 引言

隨著全球能源危機(jī)和污染的日益加劇，對清潔可再生能源的需求越發(fā)旺盛和急迫，氫能源作為可再生的清潔能源越來越受到各國科學(xué)家和政府的青睞，氫能可以由電解水、甲烷制氫或者工業(yè)廢氣回收等途徑獲得，途徑非常多且其燃燒后只有水沒有其他氣體，不會造成溫室效應(yīng)，也不會產(chǎn)生污染，可謂再理想不過的清潔能源。但是想要利用好氫能源，在保證足夠量供應(yīng)的前提下，應(yīng)使其盡可能儲存在相對小的容器內(nèi)，這時候就需要對氫氣進(jìn)行壓縮液化，而液化的氫氣有著非常低的溫度(-252.8 ℃)，這對儲存或者生產(chǎn)液氫的設(shè)備或者閥門有著非常高的要求，尤其對于閥門而言，不僅要能承受極低溫度下材料強(qiáng)度的考驗又要經(jīng)受低溫下密封性和可操作性的考驗，因此，本論文旨在設(shè)計出一款用于-252.8 ℃液氫介質(zhì)，壓力為1 MPa，進(jìn)出口尺寸為DN25的手動球閥。主要考慮手動球閥的球體、閥體以及閥桿強(qiáng)度計算和三維建模，為液氫溫度下手動球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 手動球閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于液氫溫度下閥門容易結(jié)霜使得閥桿不能轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生失效，所以低溫閥門設(shè)計時一般選用長桿球閥，本論文所設(shè)計閥門應(yīng)用于1 MPa壓力下，壓力相對較大，故而采用固定球結(jié)構(gòu)設(shè)計，固定球結(jié)構(gòu)在低溫環(huán)境下變形的一致性較好，安全性更高且密封性好。本文所設(shè)計的手動液氫球閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 手動球閥結(jié)構(gòu)簡圖

2 確定手動球閥材質(zhì)

2.1 確定球體、閥桿等主體材料

由于閥門工作于-252.8 ℃的液氫溫度下，壓力為1.0 MPa，時間很長，普通的金屬一般會發(fā)生氫脆現(xiàn)象或者冷縮量大造成閥門的密封失效。因此液氫球閥對材料選擇極為嚴(yán)苛，不僅要有良好的物理性能(這里只冷縮量小)，還要有好的機(jī)械加工性能。一般低溫閥門設(shè)計選用304不銹鋼材料，但是經(jīng)過試驗或因批次問題導(dǎo)致部分304材質(zhì)管路在液氫輸送過程中產(chǎn)生了裂紋、氫脆等問題[1]，所以本文選用022Cr17Ni12Mo2(AISI 316L)，它屬于18-8型奧氏體不銹鋼的衍生鋼種，在304基礎(chǔ)上添加有2%～3%的Mo元素，可以顯著提高其耐晶間腐蝕，且其耐低溫性能良好，在液氫溫度下金相組織穩(wěn)定，不會發(fā)生撕裂、變脆等情況，且強(qiáng)度滿足使用需求，作為普遍使用的金屬材料，其加工性能優(yōu)良，機(jī)械性能良好，所以本文中閥門中球體、閥桿等主要零部件的材料均使用022Cr17Ni12Mo2。

2.2 確定密封料和墊片材料

本文密封料-1選擇柔性石墨石，它是一種性能非常好的密封材料，對液體免疫，液體通過率基本為0，但壓縮率卻很大，可以達(dá)到45%以上，回彈性能也很優(yōu)良，在16%以上，不需要使用太大的壓緊力就可以滿足密封要求，而且它本身是石墨材質(zhì)，具有很好的潤滑性，與閥桿之間不需要額外的潤滑劑，使用非常簡單[2]。

閥門進(jìn)出口端部選擇PCTFE材質(zhì)的密封圈，其液氫溫度下的密封性能良好，在液氫溫度下仍然有200 MPa抗拉強(qiáng)度和5%以上的延伸率，以及13.7 MPa的彈性模量[3]。

液氫球閥的密封墊片選擇應(yīng)保證在液氫溫度下及液氫溫度至常溫變化過程中均有很好的密封性能，這就要求墊片材質(zhì)線膨脹系數(shù)必須足夠的小且材質(zhì)本身強(qiáng)度較高[4]。本文中液氫手動球閥墊片選擇有316L與柔性石墨纏繞成的墊片，以期達(dá)到理想的密封效果。

3 閥門部件設(shè)計計算

3.1 閥門球體設(shè)計

圖2 閥門球體三維示意圖

閥門球體是閥門的主要設(shè)計過程中最重要的部件，它不僅與液氫直接接觸，而且要承受液體壓力，并且設(shè)計過程中要考慮到它的變形及密封性。球體直徑可以根據(jù)設(shè)計手冊[5]中公式(1)直接算出，這里取系數(shù)為0.8，則閥門球體直徑D=2×0.8×DN=40 mm。三維球體如圖2所示。

R=(0.8～0.95)d

(1)

其中 ：R—閥門球體的半徑；D—閥門球體口徑DN=25。

3.2 閥門閥體設(shè)計

閥門閥體作為球體的支撐，與球體一樣要承受壓力和低溫，所以它同樣要有良好的物理性能和機(jī)加工性能，所以壁厚是閥體設(shè)計中必須要考慮的重要因素，本文所設(shè)計閥體為法蘭連接形式。以標(biāo)準(zhǔn)[5]最小壁厚為3 mm，為增加安全系數(shù)暫取SB=4.5 mm(1.5倍安全系數(shù))。閥體的壁厚SB按照公式(2)計算[2]。

(2)

其中：SB—閥體的厚度；P—閥門承受壓力；DN—閥門通徑；[σL]—材料的許用拉應(yīng)力，[σL]=117 MPa；C—腐蝕裕量(mm)，取C=3 mm。

所以計算壁厚SB’=SB+C=0.09+3=3.09，因此SB>SB’，所取壁厚值滿足使用要求。

除了閥體壁厚，閥體的密封也是閥門設(shè)計需要考慮的重要因素。根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[5]，閥門密封性能滿足要求的重要指標(biāo)是pMF≤pM≤[p]，式中pMF為最低比壓，pM為設(shè)計比壓，[p]為許用比壓。本論文所設(shè)計為單向密封固定球閥門，計算所需參數(shù)如圖3所示，計算公式如下。

1)設(shè)計比壓

=2.84 MPa

(3)

其中：PM—設(shè)計比壓；DJH—閥體進(jìn)口外徑，φ70 mm；DMN—閥體內(nèi)徑，φ45 mm；DMW—閥體外徑，φ60 mm；DMP—閥體平均半徑，φ55 mm；R—球體半徑，R=20 mm；h—墊片高度，h=5 mm；φ—球體與密封圈接觸點與通道軸法向夾角，φ=60°；P—設(shè)計壓力，取公稱壓力，p=1.0 MPa。

2)密封面厚度計算

密封面厚度按照公式(4)計算。

(4)

3)最低壓比計算

最低壓比按照公式(5)計算。

(5)

查設(shè)計手冊：密封面許用壓比[p]=35 MPa，所以pMF≤pM≤[p]，閥體密封設(shè)計合理。

3.3 閥門閥桿設(shè)計計算

閥門閥桿是整個閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在液氫閥門設(shè)計過程中不僅要考慮閥桿的強(qiáng)度、壽命還要考慮閥門在-252.8 ℃時閥門是否可以通過閥桿執(zhí)行關(guān)閉操作，這就要求閥桿應(yīng)足夠長來保證閥桿不會結(jié)冰，參考相關(guān)低溫閥門研究資料[6-8]，閥桿長度設(shè)置為350 mm。

閥桿頭部的應(yīng)力按公式(6)計算：

(6)

其中：MF—閥桿所受應(yīng)力校核數(shù)據(jù)，MPa；ωS—截面扭斷系數(shù)，mm3。

=152.15 MPa

(7)

MF=MQG+MFT

(8)

1)MQG為閥門的球體與閥體密封面間的摩擦力矩

=1649.6 N·mm

(9)

其中：fM—球體與密封圈的摩擦系數(shù)，fM=0.05。

2)MFT為密封料-1與閥桿之間的摩擦力矩

=584 N·mm

(10)

其中：φ—摩擦系數(shù)估值；dF—閥桿直徑，dF=20 mm；bT—密封料-1厚度，bT=4 mm；

由上述計算的MF=MQG+MFT=152.15+584=736.15 N·mm，

=(0.5～0.6)×103

=51.5～60.8 MPa

所以閥桿強(qiáng)度滿足使用要求。

4 SolidWorks三維建模

根據(jù)以上閥門計算的主要數(shù)據(jù)，使用SolidWorks軟件對液氫手動球閥各個零部件進(jìn)行三維建模，組裝后結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示。

圖4 液氫球閥三維結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

本文對液氫手動球閥的球體、閥體以及閥桿強(qiáng)度等進(jìn)行了詳細(xì)的計算推導(dǎo)，并創(chuàng)新性的對這些主要零部件選用了業(yè)界較為少用的316L材料，利用三維設(shè)計軟件SolidWorks進(jìn)行了零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和建模，為液氫溫度下手動球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計研發(fā)和應(yīng)用實踐提供了理論基礎(chǔ)。