详细解析小型波纹管阀门结构的设计

　　1、文章概述

　　在氢及氢同位素处理系统中需要使用一种小型的(阀门通径约Φ2mm) 抗氢脆、耐腐蚀、抗辐照的中低压阀门。要求阀门的内、外密封性好，氦漏率<1×10-9Pa·m3/s，阀门的使用寿命>100 次。在氢及氢同位素环境长期贮存后，阀门应具有较高的工作可靠性。由于氢处理系统对氢气的纯度要求很高，不能使用普通的填料阀，特别是在处理氢同位素时，不允许阀门发生任何渗漏。为此，设计了外界无漏点的小型波纹管阀门作为氢系统用阀门。

　　2、波纹管阀门工作原理

　　波纹管阀门以波纹管作为阀杆密封元件(如下图) 。波纹管一端焊接固定在阀盖和阀座上，另一端焊接在阀杆上，阀杆上下运动带动波纹管压缩或拉伸，波纹管起阀杆密封和弹性元件的作用。关闭阀门时，阀杆向下移动，阀瓣随之向下移动压紧密封面，阀门关闭。开启阀门时，提升阀杆，阀瓣离开密封面，阀门打开完成开启动作。波纹管的轴向行程通过阀杆移动的机械限位控制。

　　3、波纹管阀门类型及材料

　　根据使用要求，小型波纹管阀门采用截止阀。截止阀在短行程的条件下能迅速开启至全流量，且具有比其他形式的阀门( 如闸阀或蝶阀) 质量轻、体积小、操作灵活和使用方便的优点。由于阀门的工作介质为氢气，对某些材料造成氢损伤或氢脆，从而导致材料失效而产生泄漏。因此阀门选用具有抗氢腐蚀的金属材料，具有较高的机械强度和硬度，可以满足长期使用后的密封可靠性和耐腐蚀性要求。

　　4、波纹管阀门阀杆密封设计

　　为了减少波纹管阀门的外泄漏点，将阀盖与阀座焊接在一起。在开启或关闭过程中，阀杆轴向移动，阀杆密封必须保证阀杆在轴向移动过程中阀杆与阀盖之间的间隙很小，以防止流体泄漏。由于波纹管与阀杆可靠的焊接将阀杆与阀腔内的流体完全隔断，保证流体无外泄漏的通道(如下图所示)。

　　5、波纹管阀门设计

　　(1) 波纹管阀门的波形及直径

　　应用于阀门的波纹管波形主要有U形和S形。在承受较高工作压力和较大位移的条件下，采用多层U形波纹管。在工作压力高，工作位移较小，有特殊要求的场合，采用S形波纹管。由于小型波纹管阀门公称压力为3MPa，因此需要选择具有较高机械强度的波纹管材料。考虑波纹管材料强度太高会使成型相对困难，所以选用单层U形波纹的波纹管。参照波纹管相关标准和设计要求，波纹管内径取Φ6mm，外径取Φ10mm。

　　(2) 波纹管阀门的波数

　　波纹管波数根据阀门启闭行程W确定。通常波纹管的单波结构位移约为波距的40%，单波最大许用位移约为结构位移的75%。使用位移为最大许用位移的50%～70% ，单波使用位移为( 0. 15 ～0. 2) t，因此波纹管波数n 为n = w/( 0. 15～0. 2)t

　　式中W———阀门启闭行程，mm

　　N———波纹管波数

　　t———波距，mm

　　根据计算和实际使用条件，波纹管取6个波。

　　(3)波纹管阀门的壁厚确定

　　波纹管的壁厚s通常根据阀门的压力等级按照相关标准和资料预先选定，再根据公式验算波纹管的耐压力。高压波纹管一般采用多层结构，以降低波纹管的刚度和应力。波纹管耐压力验算时，应考虑波纹管波形在压力作用下开始发生塑性变形时的最大耐压力Pn(临界失稳压力)和产生总体失稳时的压力PS(总体失稳压力) 。根据实际条件，选取波纹管壁厚s=0.12mm。

　　(4) 波纹管阀门的使用寿命确定

　　为提高波纹管的使用寿命，应根据使用要求确定波纹管的工作位移和结构，使波纹管始终工作在良好的状态。由于波纹管的行程不能超过工作位移，波纹管的轴向行程通过阀杆移动的机械限位控制，可采取一定的结构设计措施，避免驱动装置螺纹副转动使波纹管扭转而产生的扭曲变形。压力冲击对波纹管使用寿命会造成影响。在快速关闭阀门过程中产生的压力峰值会使波纹管产生较大变形，从而降低波纹管的使用寿命。由于许多情况难以预计，对波纹管的耐压强度设计要留有余地。如果波纹管使用和安装不正确，工作时产生的各种附加应力，同样会降低波纹管的使用寿命。

　　(5) 波纹管阀门的端部结构

　　通常波纹管端部与阀杆或法兰采用焊接连接，因此在选用波纹管端部结构时，要同时考虑焊接和波纹管成形的工艺性。常用的两种阀门用波纹管端部基本结构形式为N形和W形(图下图)。根据波纹管与阀杆和阀体的焊接结构，小型波纹管阀门的波纹管端部结构采用内配合形式，波纹管的具体结构参数和结构如下图所示。

　　6、波纹管阀门内密封设计

　　阀门的内密封是指阀座与阀瓣(启闭件) 相互 接触部分的密封。阀门密封面经常受到介质的腐蚀和磨损，是阀门中容易损坏的部件，其结构和质量直接影响阀门的使用寿命。根据波纹管阀门的工作条件和使用环境，波纹管阀门密封面应具有良好的密合性能(即密封面应能很好地阻止介质渗透) ，多次使用后仍有很高的密封可靠性，密封面能承受一定的结构强度。由于波纹管轴向行程较小，要求阀门密封面开启高度小。密封面应耐氢腐蚀并有良好的加工性能。

　　根据波纹管阀门开启高度小的特点，结构设计上采用抬起高度小而能获得较大通气面积的刀形平 面密封结构。阀座密封面加工成梯形刀口，阀瓣密封面加工为平面。该内密封结构不仅实现了平面密封，又可获得适中的密封轴向力。为了减少加工工序和降低加工难度，将密封面直接在阀座上加工(如下图) 。

　　7、结语

　　根据工作环境和使用要求，设计了小型波纹管阀门的内、外密封结构，达到了阀门要求的密封精度和长期使用后的密封可靠性。

　　《小型波纹管阀门结构的设计》参考资料如下：

　　《阀门用金属波纹管力学特性研究》，作者：陈红扣

　　《阀门用波纹管的力学特性分析方法研究进展》，作者：吴宗萍，羊海涛

　　《波纹管类组件的制造及其应用》，作者：徐开先

　　《波纹管机械密封的应用》，作者：荆留纪，姜晓东

　　《阀门用金属波纹管的参数和结构设计》，作者：李增祥