液氢阀门的选材与设计

高海妹

身份证号码：622201199006261240

摘要：低温液氢阀门的研发和生产始于上世纪80年代，经过多年的发展，国内企业已经具备了一定的生产和技术能力，可以生产出符合国内标准和国际标准的低温液氢阀门，并且已经广泛应用于液态天然气、液氧、液氮等低温液体储存及运输领域。同时，在新一代航天器领域，国内也开始研究和使用低温液氢阀门。在液氢阀门基础结构也已成熟的发展阶段，其选材与工艺设计成为阀门可靠运行的重要保证，未来低温液氢阀门的发展趋势将主要包括更高的密封性能、更高的耐腐蚀性、更高的安全性和更多的智能化等方面的提升。

关键词：液氢阀门；工艺设计；密封性；安全性

引  言

低温液氢阀门的研发和生产已经有数十年的历史，欧洲、美洲、日本等地区的企业都拥有自己的低温液氢阀门生产线，其产品具有高度的品质和安全性能，并且已经广泛应用于航天、航空、能源以及科研等领域。同时，国际上也存在多个低温液氢阀门标准，国内液氢阀门标准还在制定征集中，可见液氢阀门未来发展的必要性和重要性。低温液氢阀门是在极端低温环境下运行的关键设备之一，液氢温度下工作的阀门主要用于航空航天、核磁共振、等离子体物理等领域。随着技术和应用的不断发展，国内外企业对于低温液氢阀门的研究和生产都非常重视，不断推动其技术水平和品质安全性能的提升。低温液氢阀门的发展趋势可能如下：

1. 更高的密封性能：密封性能是低温液氢阀门的关键指标，它对低温液氢系统的安全和可靠性起到至关重要的影响。未来的低温液氢阀门将更注重其密封材料、密封结构及密封性能的优化，力求达到更高的密封性能。

2. 更高的耐腐蚀性：低温液氢环境下，化学反应速度迅速增加，因此低温液氢阀门需要具有较高的耐腐蚀性能，以保证长期的稳定运行。未来的低温液氢阀门将采用更先进的抗腐蚀材料，如高强度不锈钢、镍基合金材料等，以提高其耐腐蚀性。

3. 更高的安全性：随着液氢在航空航天、核磁共振、等离子体物理等领域的广泛应用，对低温液氢阀门的安全性能要求也日益提高。未来的低温液氢阀门将采用更高的安全标准，并且会在材料、设计、制造等方面加强控制，以确保其良好的安全性能。

4. 更多的智能化：随着科技进步和数字化转型的推进，未来的低温液氢阀门将逐渐实现数字化与智能化。通过传感器、数据采集系统和云平台等技术手段，低温液氢阀门将能够实现在线监测、远程控制和故障预警，提高其运行效率和可靠性。

以上可以看出，低温液氢阀门在液氢极低温环境下使用，其生产工艺较为复杂，需要充分考虑材料特性和环境要求等因素，其中包括：材料选择：低温阀门需要使用能够在极低温环境下保持稳定性能的材料，如不锈钢、铝合金、钨等。同时还需要考虑低温阀门的密封性能，因此选择密封材料时需谨慎；设计计算：根据不同环境要求和使用场景，设计低温阀门的结构、形状、大小等参数。同时，还需要对低温阀门进行流体力学、热力学等分析，确保其流体通道的畅通和密封性；加工制造：根据所设计的图纸和模型，选择相应的加工设备和加工工艺，如铣床、车床、冲床、激光切割机等，进行零部件的制造和加工。其中，需要注意加工过程中的切削、折弯、缝合等工艺细节和精度控制。组装安装：将制造好的零部件进行组装和调整，包括连接管道、密封件、执行器等配件的安装和配置。此时需要对低温液氢阀门的操作、使用和检修方法进行培训和指导。检验验收：对生产出的低温阀门进行全面检测和验收，包括外观质量、密封性能、流体通畅性、压力承受能力等各项指标的测试和验证；包装运输：对已经通过检验的低温阀门进行包装和运输，以确保其在运输过程中不会损坏或出现质量问题。

需要强调的是，低温液氢阀门的生产工艺需要针对不同环境和应用场景进行定制化设计和生产，以确保其满足用户的实际需求。同时，也需要考虑生产成本、质量可控性、生产周期等相关因素。

1  低温液氢阀门的材料选择

1.1  低温液氢阀门的材料选择需要考虑的因素

1. 低温下的机械性能：液氢的沸点为-252.8℃，相比常温下的材料，低温下的机械性能会发生较大变化，如强度、韧性、延展性等均会降低。因此，针对低温液氢阀门的应用场景，合适的材料需要具有良好的低温机械性能。

2. 耐腐蚀性：低温液氢是一种具有极强还原性和活泼性的介质，容易导致腐蚀。对于低温液氢阀门来说，材料的耐腐蚀性能也是非常重要的指标。

3. 密封性能：低温液氢阀门需要消除内部与外部环境的交汇，以保证系统正常运行和使用安全。因此，材料的密封性能也是一个关键的考虑因素。

4. 成本：低温液氢阀门的材料成本相对较高，因此在材料的选择上需要充分考虑成本因素。

1.2  低温液氢阀门的常用材料

1. 不锈钢：不锈钢具有良好的耐腐蚀性和低温机械性能，是一种常用的低温液氢阀门材料。常用的不锈钢有304、316L等。

2. 镍基合金材料：镍基合金材料因其在高温、高压、强腐蚀介质下的优异性能，被广泛应用于低温液氢阀门中。例如，GH3030、Inconel 718、Inconel X750等。

3. 钛材料：钛材料因具有高强度、低密度等特点，被广泛应用于航空、航天等领域。由于其较高的成本，一般应用于较为关键的低温液氢阀门中。

4. 聚酰亚氨胺（PPA）：聚酰亚氨胺（PPA）是一种高性能工程塑料，具有良好的机械性能、耐化学腐蚀性、耐磨损性和耐热性等特点，因此在低温液氢阀门中得到了广泛应用。

总之，在选择低温液氢阀门材料时，需要综合考虑以上因素，权衡各项指标，选择最适合的材料。

1.3  低温液氢阀门的材料使用与分析

1.3.1  316L在低温液氢阀中的使用：

316L属于不锈钢材料，具有良好的耐腐蚀性和低温机械性能，因此在低温液氢阀门中得到了广泛应用。具体来说，316L在低温液氢阀门中的使用有以下几点优势：

1. 低温机械性能：316L钢材在低温下的抗拉、抗弯及抗冲击性能均较好，可保证阀门在低温下正常运行。

2. 良好的耐腐蚀性：316L钢材耐腐蚀性较好，在低温液氢环境中表现出色。阀门材料的耐腐蚀性能直接关系到阀门的使用寿命和系统的安全性。

3. 易于加工和焊接：316L钢材加工性好，金属间接头强度高，不易疏松，这对于制造低温液氢阀门是非常重要的。

4. 成本相对较低：相较于其他低温液氢阀门材料（如镍基合金材料、钛合金等），316L钢材的成本较为低廉。

5.抵抗氢脆性：氢脆性都可能对产品的安全性和耐久性造成严重影响。为了防止氢脆性的发生，需要采取以下措施：1）避免金属材料与氢气接触：当金属材料避免接触氢气时，氢脆性的发生可以被有效预防。例如，使用抗氢材料、在设计时尽量减少氢气环境、将氢气分离或排放至安全区域等方法。2）对于必须与氢气接触的金属材料，需采用抗氢处理技术：采用抗氢处理技术，如材料的表面覆盖层、热处理和电化学处理等方法，有助于降低金属材料对氢气的吸附和扩散，减少氢脆性的风险。3）对于已经存在氢脆性的部件，需要进行检测和修复：通过特殊设备对已经存在氢脆性的部件进行宏观和微观的检测，根据检测结果采取相应的修复方法，以确保部件在使用中不会出现脆性断裂等问题。

综上所述，316L钢材在低温液氢阀门中使用具有显著的优势，因此在低温液氢阀门中被广泛采用。但是需要注意的是，316L钢材最低使用温度为-269℃，若需要在更低温度下使用，需要选择更具特殊性能的材料。

1.3.2  聚酰亚胺在低温液氢阀中的使用：

聚酰亚胺（PI）是一种高性能工程塑料，由于其在高温、低温和极端化学环境下的优异性能而得到广泛应用，在低温液氢阀门中使用聚酰亚胺的主要优势包括以下几点：

1. 良好的耐低温性能：聚酰亚胺在低温条件下还可以保持良好的物理和机械性能，不会因为低温而变脆或失去强度。

2. 良好的耐腐蚀性：与一些金属材料相比，聚酰亚胺具有更好的耐腐蚀性能，可以避免在液氢环境下出现腐蚀等问题。

3. 轻量化设计：聚酰亚胺材料密度轻，比重约为1.38g/cm³，相较于传统的金属材料，聚酰亚胺适合用于轻量化设计，降低阀门自身质量，提高阀门打开关闭的速度，从而满足快速开启和关闭液氢阀门的需要。

除此之外，聚酰亚胺在低温液氢阀门中还有其他一些特殊的应用。例如，聚酰亚胺可以被用作密封件，与金属材料一起构成可靠的密封系统，同时保持高密度和良好的弹性，从而保证阀门的安全运行。

聚酰亚胺在低温阀门阀座加工工艺的一般流程：1）材料准备：首先需要向生产厂家订购符合要求的聚酰亚胺原料，包括PI颗粒和PI模塑料粉末等。2）加工准备：根据所需产品的形状和尺寸，选择相应的工艺方法和加工设备，如注塑、挤出、热压、CNC机床等。3）原材料处理：将PI颗粒或粉末加入注塑机、挤出机、热压机等相应的设备中进行预热、干燥和融化，确保原材料的质量和稳定性。4）模具设计：设计并制造符合阀座形状和精度要求的模具，包括模具结构、内部冷却系统、喷口位置等参数。5）生产加工：将已经预热融化的PI原料注入模具中，进行注塑、挤出或热压等加工工艺。对于PI材料的加工，需要严格控制加热温度和压力等参数，以确保阀座的质量和尺寸精度。6） 后处理：将成型后的PI阀座进行除胶、修边、打磨、清洗等后处理工艺，最终得到质量稳定、尺寸精准的PI阀座。

需要注意的是，由于PI材料比较耐磨损，硬度较高，因此在加工过程中需要使用钨钢刀具，避免损伤刀具和设备。此外，由于PI材料的收缩率较大，因此在设计模具的时候需要考虑材料的收缩量，以及加工过程中可能出现的变形等问题。另外，PI对光线和紫外线敏感，易老化和疲劳，在使用过程中需要注意保护，以确保其性能不受影响。

2  工程实际中的应用

2.1   聚酰亚胺用于阀顶密封圈时的实际应用

通过我们日常生产过程中积累的经验，聚酰亚胺用于阀顶密封圈时，安装方式可为辊压，在大规格阀门独立阀顶结构上，可采用辊压+螺母固定，辊压后上车床重新将密封面车光；聚酰亚胺用于阀顶密封圈时，禁止使用斜面密封圈及压板密封圈（从试验过程中看出，其他材质密封圈也不建议再采用斜面密封圈的结构），因其受力不均匀，螺母压紧力小，密封面各处都有泄漏，必须使用平板式密封圈压板，且压板外径应比阀门密封面内径稍小即可，增加其压紧力；密封面也采用全填满式，且必须在压板上及阀顶与密封圈接触面刻水密封线，口径较大的，水密封线数量应增加；聚酰亚胺用于阀顶密封圈时，其表面粗糙度应提高；密封圈与阀顶复合压紧后，应做一次液氮浸泡后再压紧一次，其目的是冷变形后的二次压紧，使其密封性大大提高。

2.2   液氢阀门整体设计

阀体可采用焊接结构、直流式流道、真空多层绝热，与管道连接采用真空焊接连接接头。部分液氢阀门阀瓣启闭轴线与阀体流道出口端轴线的夹角为45°，阀座密封面直接在阀体上加工形成。

阀体内管和外壳之间的空腔抽成真空，形成绝热真空。为减少辐射传热，在阀体内管外表面交替缠绕多层无碱纤维布和铝箔，构成绝热层。为了保持阀体的真空度，在真空夹层内放置有5A分子筛吸附剂。阀瓣的导向采用下导向的方式，阀顶与阀体之间的密封采用平面密封，阀杆的密封采用波纹管密封形式。

2.3   阀芯设计

阀杆组成作为阀芯的一个部件，由中空结构变为短管＋锻件＋棒材焊接阀杆；阀杆密封波纹管采用弹性元件常用的小波设计。波纹管小波设计可改善阀杆密封波纹管在阀门频繁动作时的工作性能，降低波纹管轴向刚度，可在更短的轴向长度满足阀门行程要求，可降低阀门阀杆轴线方向的结构长度。阀杆由两段制成，上段阀杆设置有梯形螺纹，起到传动起闭力的作用，下段阀杆与波纹管组件焊接复合，波纹管起到杜绝液氦外漏的作用，同时此次将波纹管移至下段阀杆的上部，远离下端的低温液氦，能够减少阀门的漏热。上段阀杆与下段阀杆榫槽结构连接，在传递起闭力的同时，只产生极小的扭转，而极小的扭转被下段阀杆上设置的键抵消，使波纹管只做单一的轴向运动，彻底解决扭转对波纹管产生破坏，从而达到保护波纹管，提高波纹管寿命的目的，使阀门长效可靠的防止外漏，而且以前波纹管设置在下部常产生的异响问题得到解决。

下段阀杆设计时采用空心结构，由于此阀门的口径小，可以缩小阀体内腔与阀杆之间的间隙，介质通过时，减少气封空间，降低对流从而减少冷损；并且在保持截面积不变的情况下，采用空心阀杆，可以提高其惯性矩，从而增加阀杆受压的稳定性。因为有下段阀杆焊接的加长空心管的设计，能使热传递减少，在节约能源的同时，使得环境温度下阀门中法兰结霜的几率减小。

2.4   液氢阀的设计计算的应用

利用comsol软件对阀门进行温度场分析，确定阀门高度并通过对比设计优化了阀门内部结构。整个系统开始试运行后，在现场该系列真空夹套阀进行了温度测量，总结了模拟结果与实际工况下存在的区别，分析了误差存在原因并估计了计算误差范围，为低温液氢阀门的设计积累了经验，是液氦阀门提高设计可靠性的一种很有优势的方法。

2.5. 液氢阀门comsol数值模拟

在以往设计经验中，我们对4K温区的液氦阀门也做了相应的软件分析，在专项研究实验中可以获得大量实际产品为依据的结论。液氦阀门几何模型如图1所示，为了便于计算减少计算量，阀体进出口部分不考虑，可通过对称性将其简化为二维模型减少计算量。在设计过程中为减少传热量，通过改变波纹管安装位置在阀门上部或下部及阀杆是否采用空心管等得到了现有的结构。

图1：液氦阀几何模型

液氦阀采用稳态传热模型，对使用工况下的液氦超低温阀温度场分布进行计算。本阀门主要材料为316L其物性参数见表1，在设置初始条件时阀顶到阀杆导向间全部浸泡在液氦中，该范围内温度恒定在4K，同时设置环境温度为25℃，阀体上部表面与空气的换热设置为对流换热，换热系数为15W/m2*K。

表1 316L物性参数

材料	密度 kg/m3	导热系数W/(m*K)	比热容j/(kg*K)
316L	7980	15.1	502

图2为模型阀门稳态计算收敛后温度场分布图。随着迭代次数的增加，热量从阀体底端慢慢的传递至阀门其余部分，同时由于阀盖表面和环境气体存在对流换热的过程，各部位温度逐渐趋于稳定值。其中填料处温度大约在7℃左右，能够满足使用要求。

图2：液氢阀模拟结果

3   结   论

液氢阀门的选材与工艺设计成为阀门可靠运行的重要保证，未来低温液氢阀门的发展趋势会对各方面能力有所提升。本文所述的一些材料加工工艺、加工方法、结构选择、结构优化设计等液氢阀门的相关叙述均来自于我们长期的产品实践，在长期的发展过程中，期待液氢阀们国家标准的出台，使其发展更快速、优质，我们的产品更加可靠、安全、智能。

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