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(guān)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(tǒng)的整體性能。因此，針對某型號火箭用卸荷開關(guān)的漏氣量超標(biāo)準(zhǔn)問題進行原因查找和分析。

1 故障情況分析

1.1 卸荷開關(guān)密封形式

卸荷開關(guān)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(guān)殼體內(nèi)部，材料為不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）?；铋T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(guān)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(guān)分解檢查發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)閥座表面一周呈現(xiàn)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(guān)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(guān)閉狀態(tài)，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(dǎo)致漏氣量超標(biāo)。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(guān)同批次庫存的卸荷開關(guān)2#，試驗壓力為工作壓力，工作時間為30min。試驗結(jié)果顯示，經(jīng)過持續(xù)30min 的自動撞擊試驗，2#卸荷開關(guān)殼體閥座密封面與試驗前無明顯變化，未出現(xiàn)與故障件殼體閥座密封面類似形貌，因此故障并非此原因?qū)е隆?/p>

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(guān)關(guān)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(dǎo)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(jié)果顯示，經(jīng)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(xiàn)與故障件殼體閥座密封面類似形貌，因此故障并非此原因?qū)е隆?/p>

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(guān)后續(xù)反復(fù)加壓開關(guān)過程中，殼體閥座密封表面缺陷在擠壓應(yīng)力作用下會延展擴大，可能形成密封面表面形貌異常而導(dǎo)致漏氣量超標(biāo)的問題。分解與故障件卸荷開關(guān)同批的3 件庫存產(chǎn)品，在顯微鏡下檢查同批產(chǎn)品殼體閥座密封面，未發(fā)現(xiàn)異常，因此故障并非此原因?qū)е隆?/p>

1.3.4 冰造成密封面損傷

在卸荷開關(guān)的氣體流動過程中，由于殼體閥座節(jié)流處流阻最大，會在閥座表面產(chǎn)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(yīng)用劃痕法將棱錐形金剛鉆針刻劃所試礦物的表面而發(fā)生劃痕，為相對硬度），而不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）的莫氏硬度為5.5。因此，當(dāng)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(jié)束后關(guān)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(dǎo)致密封性能降低，因此故障可能是此原因?qū)е隆?/p>

1.4 故障原因分析

產(chǎn)品大開度放氣時會導(dǎo)致系統(tǒng)溫度迅速降低。由于閥座節(jié)流處的溫降更大，溫度下降幅度大，系統(tǒng)中的水分會在閥座表面產(chǎn)生冰或冰晶顆粒。當(dāng)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(jié)束后，在卸荷開關(guān)關(guān)閉過程中，冰或冰晶顆粒對閥座表面造成磨粒損傷。當(dāng)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(guān)，搭建故障復(fù)現(xiàn)試驗系統(tǒng)。

2.1 放氣降溫試驗

為驗證放氣速度對系統(tǒng)溫降的影響程度，針對大開度打開放氣開關(guān)放氣（放氣速度約為5MPa/min）和小開度打開放氣開關(guān)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(jié)了一層白霜，如圖3 所示。此時，安裝在卸荷開關(guān)兩側(cè)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(guān)兩側(cè)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(guān)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(tǒng)存在一定水分時，卸荷開關(guān)閥座上會結(jié)冰或形成冰晶顆粒。為驗證當(dāng)卸荷開關(guān)關(guān)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(guān)放置在液氮酒精中，創(chuàng)造故障產(chǎn)生的溫度條件；向出口的氣瓶內(nèi)各加入100mL 純凈水，增加氣體濕度；按圖3 連接試驗系統(tǒng)，進行充氣放氣試驗5 次。試驗結(jié)果表明，試驗結(jié)束后，在20 倍顯微鏡下檢查殼體閥座，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(jié)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(chǎn)品殼體閥座處溫降達到60℃以上。當(dāng)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(guān)關(guān)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(chǎn)生的冰或冰晶顆粒對殼體閥座密封面造成磨粒磨損導(dǎo)致低壓漏氣超標(biāo)的問題，制定以下改進措施。一方面，控制閥門內(nèi)氣體壓降速度，防止氣體流速過快導(dǎo)致溫降過大。另一方面，增加氣體干燥設(shè)備，控制氣體含水量。經(jīng)查閱相關(guān)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(guān)的工作氣體含水量降至0.011g/m3以下。

4 結(jié)語

大開度放氣會導(dǎo)致系統(tǒng)溫度迅速降低，導(dǎo)致系統(tǒng)中的水分在閥座表面產(chǎn)生冰晶顆粒。當(dāng)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(chǎn)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(fā)生，提高產(chǎn)品的可靠性。