1．前言
零泄漏的金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)不僅是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門的關(guān)鍵技術(shù)，也是各行各業(yè)(航天、航空、艦艇、石油、化工等)使用閥門的關(guān)鍵技術(shù)。特別是在低溫、高溫、高壓、有毒、有腐蝕性的介質(zhì)中使用的閥門，確保在閥門開關(guān)調(diào)動(dòng)作中零泄漏，是閥門研制、設(shè)計(jì)、使用的難點(diǎn)和關(guān)鍵。也是確保航天液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、航空、艦艇、石油、化工等介質(zhì)輸送系統(tǒng)、各行各業(yè)系統(tǒng)工作安全可靠的難點(diǎn)和關(guān)鍵，由于金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)能實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封的零泄漏，機(jī)械式動(dòng)密封難于實(shí)現(xiàn)零泄漏，所以中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、西歐、日本等國(guó)家都在航天技術(shù)閥門領(lǐng)域、閥門技術(shù)領(lǐng)域都進(jìn)行了金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)的大量研究和應(yīng)用。
我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始，航天的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門開始使用了金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)，特別是液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門采用了金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)后，取得了多個(gè)型號(hào)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門研制成功。從1976年開始至今30多年來，4個(gè)型號(hào)液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的多種閥門中采用金屬波紋管從8種已增加到了28種，零泄漏的金屬波紋管動(dòng)密封在液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門使用中，已占據(jù)了相當(dāng)重要的位置。
30多年來液氫、液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門研制經(jīng)歷，充分證明：采用金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)是確保低溫、高壓、高溫的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門零泄漏動(dòng)密封關(guān)鍵技術(shù)，是最有效、最可靠的閥門動(dòng)密封技術(shù)。
2．金屬波紋管動(dòng)密封原理
2．1 金屬波紋管動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)構(gòu)成
閥門中的金屬波紋管動(dòng)密封是通過金屬波紋管組合件實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封作用的，金屬波紋管組合件一般由金屬波紋管、法蘭連接件、蓋連接件組成，最簡(jiǎn)單的波紋管組合件結(jié)構(gòu)圖見圖1。
金屬波紋管：靠波紋管彈性薄板材料的強(qiáng)度和彈性，在金屬波紋管組合件中與閥門頭一起移動(dòng)時(shí)進(jìn)行拉伸或壓縮，阻隔氣控腔和介質(zhì)腔之間的泄漏，起零泄漏動(dòng)密封的作用，并承受著介質(zhì)腔和氣控腔的壓力差的作用。最常用的波紋管形式是多層U型金屬波紋管，圖2是常用的三層U型金屬波紋管的剖視立體圖。
法蘭盤連接件：金屬波紋管組合件靠它與閥門殼體連接成一體。
蓋連接件：它與閥門頭直接或間接相連，靠氣控或介質(zhì)壓力的驅(qū)動(dòng)，使閥門頭移動(dòng)起開、關(guān)、調(diào)節(jié)作用。
3個(gè)金屬零件之間連接方法：手工或自動(dòng)氬弧焊焊接、電子束焊焊接、錫焊焊接等。
2．2 金屬波紋管的特性
閥門的動(dòng)密封性能是靠金屬波紋管組合件中的金屬波紋管的性能和特性保證的。
金屬波紋管是由單層或多層薄壁管材液壓而成，在航天領(lǐng)域中多采用2層或3層U型的不銹鋼OOCrl7Nil4Mo2和高溫合金GH4169材料的波紋管，它具有如下的優(yōu)良特性：
(1)是一個(gè)又能壓又能拉的雙向機(jī)械彈簧
大量試驗(yàn)證明，一個(gè)金屬波紋管同時(shí)具有壓縮彈性和拉伸彈性，一般閥門用的金屬機(jī)械彈簧大多都是單向的壓縮彈簧，而金屬波紋管，在有效的壓縮和拉伸范圍內(nèi)，是一個(gè)又能壓又能拉的雙向機(jī)械彈簧。
普通不銹鋼波紋管的壓縮拉伸剛度曲線見圖3，GH4169波紋管的壓縮拉伸剛度曲線見圖4、5。
(2)金屬波紋管在有效的行程范圍內(nèi)，靠波紋管金屬波紋結(jié)構(gòu)的拉壓彈性，在有壓力作用的情況下，波紋管組合件既能受外壓力壓縮，又能受內(nèi)壓力伸長(zhǎng)，實(shí)際上是一個(gè)既能收縮又能伸長(zhǎng)的壓力容器。見圖6。
(3)金屬波紋管既能承受內(nèi)壓作用也能承受外壓作用，對(duì)于3層u型的不銹鋼OOCrl7Nil4M02或高溫合金GH4169材料的波紋管，一般能承受20-30MPa的內(nèi)壓或外壓，不失穩(wěn)。
(4)能在低溫(-253℃)、高溫(+500℃)下工作。
(5)動(dòng)作壽命在工作壓力O.5MPa下一般大于2萬次，隨著工作壓力的提高動(dòng)作壽命要下降。
2．3 金屬波紋管動(dòng)密封原理
金屬波紋管組合件利用波紋管的能壓縮能拉伸具有拉壓彈性的特點(diǎn)，使波紋管的一端與移動(dòng)的閥頭相連，另一端與固定不動(dòng)的閥殼體相連，構(gòu)成動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副(見圖8)?？坎y管本身的彈性變形實(shí)現(xiàn)閥頭的移動(dòng)，靠波紋管的管壁金屬材料強(qiáng)度承受控制腔和工作腔的壓力差，閥頭運(yùn)動(dòng)前、運(yùn)動(dòng)中、運(yùn)動(dòng)后靠波紋管保證運(yùn)動(dòng)副之間即控制腔和工作腔之間的零泄漏。在閥頭的移動(dòng)全過程，靠金屬波紋管動(dòng)密封實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)副之間不接觸、無摩擦、沒磨損。
金屬波紋管動(dòng)密封的關(guān)鍵部位是能壓縮拉伸變形的金屬波紋管。見圖7。金屬波紋管的密封性能就決定了閥門的動(dòng)密封性能。
機(jī)械式動(dòng)密封是靠活塞槽中的非金屬密封件與金屬殼體壁面之間的壓縮接觸面，產(chǎn)生接觸壓應(yīng)力(見圖8、圖9)，阻止由壓縮接觸面隔開的控制腔和工作腔之間的壓差泄漏，這個(gè)壓縮接觸面的密封能力與非金屬密封件和金屬殼體的材料、表面硬度、表面粗糙度、尺寸、控制腔和工作腔之間的壓差等因素有關(guān)，壓縮接觸面上的壓應(yīng)力是有限的，當(dāng)壓應(yīng)力小于控制腔和工作腔之間的壓差就會(huì)發(fā)生泄漏，隨著壓差越大泄漏就越大，現(xiàn)在世界上任何一種機(jī)械式動(dòng)密封難于做到零泄漏，而且運(yùn)動(dòng)副之間有接觸、有摩擦、有磨損，隨著壓應(yīng)力越大摩擦、磨損就越大。
機(jī)械式動(dòng)密封的關(guān)鍵部位是運(yùn)動(dòng)的密封件與不動(dòng)的殼體之間的環(huán)形接觸面，見圖9，這個(gè)接觸面的密封性能就決定了閥門動(dòng)密封性能。
金屬波紋管動(dòng)密封與機(jī)械式動(dòng)密封的性能比較見表1
| 序號(hào) | 比較項(xiàng)目 | 金屬波紋管式動(dòng)密封 | 非金屬墊片活塞式動(dòng)密封 |
| 1 | 簡(jiǎn)圖 |  |
 |
| 2 | 密封機(jī)理 | 靠金屬波紋管隔離氣腔和介質(zhì)腔，起密封作用；靠波紋管變形滿足位移要求。 | 靠壓緊非金屬墊圈與殼體壁面的接觸面產(chǎn)生壓應(yīng)力，阻隔氣控腔和介質(zhì)腔之間泄漏。靠非金屬墊圈與殼體壁面摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生位移。 |
| 3 | 密封的關(guān)鍵部位 | 金屬波紋管 | 接觸面 |
| 3 | 密封效果 | 零泄漏 | 有泄漏 |
| 4 | 使用壽命 | 高（大于20000次） | 低（小于2000次） |
| 5 | 運(yùn)動(dòng)副有無接觸 | 無 | 有 |
| 6 | 有無摩擦 | 無 | 有 |
| 7 | 有無磨損 | 無 | 有 |
| 8 | 有效行程 | 中等（4-15mm左右） | 大 |
| 9 | 液氫液氧下的性能 | 材料強(qiáng)度增加；零泄漏的密封性能不變 | 非金屬密封件變硬，尺寸縮小，密封性能下降，泄漏量加大 |
| 10 | 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易 | 相對(duì)復(fù)雜 | 簡(jiǎn)單 |
| 11 | 密封可靠性 | 高 | 低 |
從表1的比較結(jié)果看，金屬波紋管動(dòng)密封性能大大優(yōu)于機(jī)械式動(dòng)密封性能。
3.金屬波紋管組合件加工
常用的金屬波紋管組合件，有不銹鋼OOCr17Nil4Mo2波紋管組合件和合金鋼GH4169波紋管組合件，它們的工藝加工過程大同小異，不同的是金屬波紋管組合件焊后熱處理方法不同，OCr17Nil4Mo2即316L不銹鋼波紋管組合件焊后不用時(shí)效處理，而GH4169波紋管組合件在固溶狀態(tài)焊接后需要時(shí)效處理提高波紋管的強(qiáng)度，同種材料的GH4169波紋管組合件必須在固溶狀態(tài)下焊接，否則會(huì)發(fā)生裂紋，GH4169波紋管組合件加工工藝主要內(nèi)容見圖10。
4.金屬波紋管組合件試驗(yàn)
通過機(jī)械加工和焊接的金屬波紋管組合件，還不能直接安裝在閥門里使用，因?yàn)樵诙喙ば虻墓に囘^程中，管壁材料在焊接、機(jī)械加工、工序周轉(zhuǎn)中還可能會(huì)發(fā)生劃傷、碰傷等質(zhì)量問題，必須經(jīng)過一系列的試驗(yàn)，證明金屬波紋管組合件是符合圖紙要求的合格品，才能安裝在閥門中使用。金屬波紋管組合件主要試驗(yàn)內(nèi)容見表2。
| 序號(hào) | 檢查數(shù)量 | 檢查內(nèi)容 | 說明 |
| 1 | 逐件檢查 | 靈活性 | 大于3次 |
| 2 | 空氣氣密性 | 試驗(yàn)壓力同工作壓力 | |
| 3 | 氦氣檢漏 | 按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行 | |
| 4 | 測(cè)量剛度 | 按圖紙要求 | |
| 5 | 抽一批產(chǎn)品的5%；但不小于3件 | X光檢查或剖切焊縫 | 檢查焊縫質(zhì)量 |
| 6 | 強(qiáng)度檢查 | 試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.2～1.5倍 |
5．金屬波紋管動(dòng)密封在我國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門中的新應(yīng)用
近年來在航天液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門中有如下的新應(yīng)用：
5．1 新式雙曲率肋式波紋管穩(wěn)壓器
北京航天動(dòng)力研究所于1985年就獲得了國(guó)家發(fā)明專利“雙曲肋式波紋管”見圖11、12，并研制成功了肋式波紋管穩(wěn)壓器，見圖13。
新式雙曲率肋式波紋管與單曲率的U型波紋管的不同是：
(1)在波紋管的軸線上有U型的曲線變形，在波紋管的沿圓周方向均勻排列的凹形“肋”曲線變形，波紋管的壁面是雙曲率變形結(jié)構(gòu)；
(2)肋式波紋管由專用夾具兩次液壓加工成型，波紋管管壁受到兩次拉伸、兩次冷作硬化；
新式雙曲率肋式波紋管與單曲率的U型波紋管在性能上相比，具有穩(wěn)定性好、剛性好、承壓能力高、殘余變形小等優(yōu)點(diǎn)。它可以用來代替膜片，作為調(diào)節(jié)器的壓力敏感元件使用。
新式雙曲率肋式波紋管組合件裝在液體穩(wěn)壓器后，進(jìn)行了多臺(tái)的空氣、水、液氫、液氧的試驗(yàn)，列舉其中單臺(tái)產(chǎn)品的試驗(yàn)曲線見圖14、15。
從試驗(yàn)結(jié)果說明雙曲率肋式波紋管穩(wěn)壓器，具有良好的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)性能、進(jìn)回程差小、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好，能在空氣、水、液氫、液氧中使用，但缺點(diǎn)是波紋管成型復(fù)雜、成本高。
5．2 S 型波紋管液氧流量調(diào)節(jié)器
北京航天動(dòng)力研究所于1994年就開始研制國(guó)家批準(zhǔn)的“高壓S型波紋管動(dòng)密封”
立項(xiàng)專題，S型波紋管由北京航天動(dòng)力研究所設(shè)計(jì)、沈陽儀表科學(xué)研究院加工成型，2002年研制成功了S型波紋管液氧流量調(diào)節(jié)器。2005年液氧流量調(diào)節(jié)器獲國(guó)家發(fā)明專利和國(guó)防二等科技獎(jiǎng)。
S型波紋管與U型波紋管相比具有承壓能力高、s型波紋管壁受力均勻、殘余變形小、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。特別適用于內(nèi)腔壓力高、行程小的工況下使用。外徑38mm、內(nèi)徑26mm、4層每層壁厚0.17mm、3個(gè)波、材料為GH4169的S型波紋管可以承內(nèi)壓30MPa，行程1mm，壽命大于20000次。
S型波紋管用在液氧流量調(diào)節(jié)器的閥前抬座動(dòng)密封結(jié)構(gòu)中，利用抬座動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的閥座和閥門球之間的縫隙，可使本閥做為系統(tǒng)的初級(jí)流量閥門使用，又可以使閥門相對(duì)閥座無接觸無摩擦的轉(zhuǎn)動(dòng)，可以做到壹閥兩用，這屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。液氧通過S型波紋管液氧流量調(diào)節(jié)器抬座縫隙的流量系數(shù)μF值試驗(yàn)曲線見圖18。
5．3 U型波級(jí)管高溫燃?xì)忾y
北京航天動(dòng)力研究所從2001年就開始研制U型波紋管高溫燃?xì)忾y，2005年申報(bào)了國(guó)家發(fā)明專利，經(jīng)過大量試驗(yàn)，高溫試驗(yàn)、已成功地用于系統(tǒng)中。
高溫燃?xì)忾yu型波紋管所用材料為GH4169。經(jīng)過2臺(tái)產(chǎn)品高溫試驗(yàn)，U型波紋管能承受內(nèi)壓3MPa，承受外壓7MPa，動(dòng)作500次、動(dòng)作間隔2s，在燃?xì)鉁囟?40℃下，工作4000秒后，U型波紋管完好無損。
6．金屬波紋管動(dòng)密封在國(guó)外火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用
美國(guó)、俄羅斯、西歐、日本等國(guó)家都進(jìn)行了金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)的研究和應(yīng)用，國(guó)外采用了金屬波紋管動(dòng)密封技術(shù)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門。
7．結(jié)論
(1)金屬波紋管動(dòng)密封相對(duì)機(jī)械式密封，具有零泄漏、不接觸、無摩擦、沒磨損等優(yōu)點(diǎn)，在低溫技術(shù)領(lǐng)域中是最可靠、最安全的閥門動(dòng)密封；
(2)金屬波紋管動(dòng)密封不僅可用于液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門，也可應(yīng)用于一般液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)閥門，不僅可用于國(guó)防(火箭、導(dǎo)彈、艦艇、原子能)閥門，也可用于民用(石油、化工、水力、煤炭)閥門中實(shí)現(xiàn)零泄漏；
(3)除在低溫技術(shù)領(lǐng)域外、在特殊工況下的高溫、有毒、腐蝕等介質(zhì)閥門中使用時(shí)，金屬波紋管動(dòng)密封也是最可靠、最安全的動(dòng)密封；
(4)雙曲率肋式波紋管和S型波紋管是兩種有使用價(jià)值和有應(yīng)用前途的閥門零泄漏動(dòng)密封元件。
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