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

（首都航天機械有限公司，北京100076）

0 引言

閥門是火箭增壓輸送系統中的重要部件[1]，某卸荷閥門用于某型號箭體增壓輸送系統中，主要作用是給氣瓶充放氣。在最近2 a的靶場測試時，發生過2次泄漏問題，給該型號火箭發射任務帶來了一定的影響。

將故障閥門分解，發現閥芯非金屬密封面上存在異常壓痕，導向運動面上存在磨損痕跡，通過分析異常壓痕和導向面上磨損痕跡，找到造成閥門泄漏的原因。

1 卸荷閥門簡介

卸荷閥門結構示意圖如圖1所示，該卸荷閥門為手動閥門，可對氣體介質實現單向導通、反向截止的作用。閥門入口接地面配氣臺，出口接箭上氣瓶。通過擰手輪1帶動頂桿2可以將閥芯4頂開，此時入口和出口連通，配氣臺給氣瓶充氣。當氣瓶充氣完成，反向擰手輪1，此時頂桿2退回，閥芯在彈簧力和氣體的共同作用下回位關閉，此時氣瓶開始保壓。

卸荷閥門的密封結構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帶，又叫活門座，通過拋光的方法保證活門座粗糙度達到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 卸荷閥門結構圖

2 故障件現象

在最近2 a的靶場測試時，卸荷閥門出現過2次泄漏問題，原因均為活閥密封面上存在異常壓痕。最近一次出現問題是在2019 年初，在靶場進行系統測試時，卸荷閥門打開給氣瓶充氣，當氣瓶壓力為21 MPa時，關閉卸荷閥門，此時通過入口管路測量閥門漏率，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，此時再對卸荷閥門檢漏，漏率變為690 mL/s，已經大漏，要求漏率不大于3 泡/min。現場更換備件后，將故障閥門返廠分解，分解后發現閥芯密封面有一處異常壓痕，如圖3所示。閥芯和殼體內孔導向面有嚴重磨損痕跡，如圖4和圖5所示。

圖2 卸荷閥門密封結構示意圖

圖3 閥芯異常壓痕宏觀圖

圖4 閥芯導向面磨損圖

圖5 殼體導向孔磨損情況圖

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，發現閥芯密封面有一處異常壓痕。分解一件正常產品后取出閥芯，對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，異常區壓痕呈月牙形，相對其它區域的壓痕較深、較寬，測得壓痕中部最大寬度約734.1 μm，壓痕深114 μm，異常壓痕區沒有重復壓痕，為一次成形；其它區域壓痕深度、寬度均較均勻，且異常壓痕與其它區域壓痕明顯不同心；整圈壓痕區域未見明顯的材料缺陷，未見嵌入表面的多余物及其它機械損傷痕跡。壓痕深度和寬度測量結果如表1所示。

圖6 正常件和故障件壓痕對比形貌圖

表1 正常件和故障件壓痕測量結果 μm

3.2 導向運動副磨損形貌分析

分解后發現殼體導向孔和閥芯導向面有嚴重磨損痕跡。卸荷閥門工作時，閥芯會在殼體導向孔內往復運動，正常產品一般不會出現導向面磨損情況。故障件出現了導向面磨損，需重點關注。

觀察故障件閥芯導向面磨損情況（如圖7），在距離密封面一側的端面約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，進一步放大觀察整個損傷區域呈層疊狀磨損痕跡、形貌。

圖7 閥芯導向面磨損情況

圖8 導向孔磨損情況

將故障件閥芯和剖切后有磨損形貌的殼體導向面放入電鏡中，觀察磨損區及其附近形貌并進行能譜分析，閥芯磨損區域表面存在顆粒物主要為Al、O元素，應為氧化鋁顆粒，個別含有Ti、N、O、Fe元素，應為氮化鈦或氧化鐵顆粒，形貌和能譜如圖9所示。殼體磨損區域表面可見彌散分布的嵌入顆粒物。能譜分析后發現，主合金元素及含量與1Cr18Ni9Ti牌號相符，磨損區域顆粒物主要為Al、O元素，應為氧化鋁顆粒，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 殼體磨損區域多余物形貌及能譜分析圖

將殼體內壁和活閥導向面縱向損傷痕進行比對，二者的相對位置、形態及尺寸均相似，由此判斷二者應為匹配磨損面。根據二者磨損區域特征，判斷殼體與閥芯在該位置發生了黏著磨損。發生黏著磨損的原因應與活閥表面的氧化鋁顆粒有關，殼體與閥芯位置關系如圖11所示。

圖11 閥芯與殼體位置關系圖

3.3 故障機理分析

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，必須保證殼體活門座和閥芯密封面緊密貼合。由于故障件產生異常壓痕，閥芯關閉時密封面壓痕深度不均勻，導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）異常壓痕產生的原因。在正常情況下閥芯密封面是不會產生異常壓痕的。測量故障件閥芯外圓尺寸和殼體導向孔尺寸，計算出導向間隙，再測2處閥芯的長度，通過換算，故障件閥芯在導向孔中最大偏斜角度0.5°。利用Abaqus軟件進行建模仿真計算，仿真結果如圖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與故障件基本一致，說明故障件閥芯在極限偏斜狀態下關閉時會形成密封帶一邊深、一邊淺的異常壓痕。

圖13 閥芯密封面仿真位移云圖

電鏡下發現導向密封面上存在較多的氧化鋁顆粒，這是因為閥芯外圓采用無心磨加工，經化驗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嵌有較多的氧化鋁顆粒。此閥門導向運動副不允許涂潤滑油，閥芯動作時為干摩擦，殼體導向孔和閥芯導向面材料分別為不銹鋼F151和1Cr18Ni9Ti，雖然是不同牌號的不銹鋼，但材料成分相近，閥芯多次運動后容易發生黏著磨損，在有微小氧化鋁顆粒的作用下會加速黏著磨損。

在5 MPa下卸荷閥門檢漏時大漏，是因為此時打開卸荷閥門，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發生黏著磨損并出現卡滯，閥芯已經偏斜，如圖14所示。

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

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

由于閥門生產周期較長，與故障件同批驗收合格的卸荷閥門還要繼續使用。現階段措施為：在后續箭體總裝時，對此路安裝2個卸荷閥門，增加冗余，提高可靠性。后續措施為對閥門閥芯導向部位進行設計和工藝改進，提高單機產品可靠性。

5 結語

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

當兩運動部件為干摩擦時，零件材料不宜選擇同種材料和相近材料，同時應盡量不選用磨削加工方法，避免導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2個卸荷閥門，增加冗余。用此方法改進后提高了可靠性。