1 概述

      在氫及氫同位（wèi）素處理係統中需要使用一種小型的（de）( 閥門通徑約Φ2mm) 抗（kàng）氫脆、耐腐蝕、抗輻照的中低壓閥門。要求閥門的內、外密封性好，氦漏率＜1 × 10 － 9 Pa·m3 /s，閥門的（de）使用壽命＞ 100 次。在氫及氫同位素環境長期貯存後，閥門應具有較高的工作可靠性。由於氫處（chù）理係統對氫氣的純度要求（qiú）很（hěn）高，不能（néng）使用普通的填料閥，特別（bié）是在處理（lǐ）氫同位素時，不允許閥門發生任何滲漏。為此（cǐ），設計了外（wài）界無漏點的（de）小型波紋管（guǎn）閥門作為氫係統用閥門。

      2 工作原理

      波（bō）紋管閥門（mén）以波紋管（guǎn）作為閥杆（gǎn）密封元（yuán）件( 圖1) 。波紋管一端焊接固定在（zài）閥蓋和閥座上，另一端焊接在閥杆上，閥杆上下運動帶動波紋管壓縮（suō）或拉伸，波紋管起閥杆密封和彈性元件（jiàn）的（de）作用。關閉閥門時，閥杆向下移動，閥瓣隨之（zhī）向下移動壓緊密封麵，閥門關閉。開啟閥門時，提升閥杆，閥瓣離開密封麵，閥門打開完成（chéng）開啟動作。波紋管的軸向行程通過閥杆移動的機械限位控製［1］。

      3 閥門（mén）類型及材料

      根據（jù）使用要求，小型波紋管閥門采用截止閥。

      截止閥（fá）在短行程的（de）條件下能迅速開啟至全流量，且具有比其他形式的閥（fá）門( 如（rú）閘閥或蝶閥) 質（zhì）量輕、體（tǐ）積小、操作靈活和使用（yòng）方便的優點（diǎn）。由於閥門的工作介質為氫氣，對某些材料造成氫損傷或氫脆，從而導致材料失效而產生泄漏。因此閥門選用具有抗（kàng）氫腐蝕的金屬材料（liào），具有較高的機（jī）械強度和硬度，可以滿足長期使用後的（de）密封可靠性和耐腐蝕性要求。

      4 閥杆密封設計

      為了減少波紋（wén）管（guǎn）閥門的外泄漏點，將閥（fá）蓋與閥座焊接在一起。在開啟或關閉過程中，閥杆軸（zhóu）向移動，閥杆密封必（bì）須保證閥杆在軸（zhóu）向移動過程中閥杆與閥蓋之間的間隙很小，以防止流體泄漏。由於波紋管與閥（fá）杆可靠的焊接（jiē）將閥杆與閥腔內的（de）流（liú）體完全隔（gé）斷，保證流體無外泄（xiè）漏的通道( 圖2) 。

      5 波紋管設計

      ( 1) 波形及直徑

      應用於閥門的波（bō）紋管波形主要有U 形和S 形。在承受較高（gāo）工作壓（yā）力和較大位移的條件下（xià），采用多（duō）層U 形波紋管（guǎn）。在工作壓力高，工作位移較小，有特殊要求的場合，采用S 形波紋管。由於小型波紋管閥（fá）門公稱壓力為（wéi）3MPa，因此需要選擇具有較高機械強度的波紋管材（cái）料。考慮波紋管材料強度太高會（huì）使成型相對（duì）困（kùn）難［2，3］，所以，選（xuǎn）用單層U 形波紋的波紋管（guǎn）。參照波紋管相關標準和設計要求，波紋管內徑取Φ6mm，外徑取Φ10mm。

      ( 2) 波數

      波紋管波（bō）數根據（jù）閥門啟閉行程W 確定。通常波紋管的單波結構位移約（yuē）為波距的40%，單波最大許用位移約為結構位移（yí）的75%。使用位移為（wéi）最大許用位移的50% ～ 70%，單波使用位移為( 0. 15 ～2) t，因此波紋管波數n 為［4］

      根（gēn）據計算和實際使用條件，波紋管取6 個波。

      ( 3) 壁厚確定

      波紋管的壁厚s 通常根據閥門（mén）的壓力等級按照相關標準和資料預先選定，再根據公式驗（yàn）算波紋管的耐壓力。高壓波紋（wén）管（guǎn）一般采（cǎi）用多層結構，以降低波紋管的剛度和應力。波（bō）紋管耐壓（yā）力驗算時，應考慮波（bō）紋管波形在壓力作用下開始發（fā）生塑性（xìng）變形時的（de）最大耐（nài）壓力Pn ( 臨界失（shī）穩壓力) 和產生總（zǒng）體失穩時的壓力PS ( 總體失穩壓力) 。根據實際條件，選取波紋管壁厚s = 0. 12mm。

      ( 4) 使用壽命確定

      為提高波紋管的使用壽命，應根據使用要求確定波紋（wén）管的工作（zuò）位移和結構，使波紋管始終工作在良好（hǎo）的狀態。由於波紋管的行程不能超過工作位移，波紋管的軸向（xiàng）行程通過閥杆移動的機械限位（wèi）控（kòng）製，可采取一定的結構設計措施，避免驅動裝置螺紋副轉動使波紋管扭轉而產生的扭曲變形。壓力衝（chōng）擊對波紋管使（shǐ）用（yòng）壽命會造成影響。在快速關閉（bì）閥門過程（chéng）中產（chǎn）生的壓（yā）力（lì）峰值會使波紋管產生較大變形，從而降低波紋管的使用壽（shòu）命。由於許（xǔ）多情況難（nán）以預計，對波紋管的耐壓強度（dù）設計要留有餘地［3，5］。如果波紋管使用（yòng）和安裝不正確，工作時產生的各種附加應（yīng）力，同樣會降低波（bō）紋管的使用壽命［5］。

      ( 5) 端部結構

      通常波紋管端部與閥杆或法蘭采用焊接連接，因此在選用波紋（wén）管端部結構時，要同時考慮焊接和波（bō）紋管成形（xíng）的工藝性。常用的兩種閥門用波紋管端部基本結構形式為（wéi）N 形（xíng）和W 形( 圖3) 。根據波紋管與閥杆和閥體的焊接結構，小型（xíng）波紋管閥門的波紋（wén）管端部結構采用內配合形式，波紋管的具體結構（gòu）參數和結構形式如圖4 所示。

      6 內密封設計

      閥門的內密封是指閥座與閥瓣( 啟閉件) 相互接觸（chù）部分的密封。閥門（mén）密（mì）封麵經常受到（dào）介質的腐（fǔ）蝕和磨損，是閥門中容易損壞的部（bù）件，其結構和質（zhì）量直接影響閥門的（de）使用壽命。根據波紋管閥門的工作條件和使用（yòng）環（huán）境，波紋管閥門（mén）密封（fēng）麵應具有（yǒu）良好的密合性能( 即密封麵應能很好地阻止介質滲透) ，多次使用後仍有很高的密封可靠（kào）性，密封麵能承受一定的結構強度。由於波紋管軸向行程較小，要求閥門密封麵開啟高度小。密封麵應耐氫腐蝕並有良好的加工性能。

      根據波紋管閥門開啟高度小的特點，結構設計上（shàng）采用抬起高度小而能獲（huò）得較大（dà）通氣麵積的刀形（xíng）平麵密封結構。閥座密封麵加工（gōng）成梯形刀口，閥瓣密封麵加工為平麵。該內密封結（jié）構不僅實現了平（píng）麵密封，又可獲得適中的密（mì）封軸向力。為了減（jiǎn）少加工工序和降低加工難度，將密封麵直接（jiē）在閥座上（shàng）加工 ( 圖5) 。

      7 結語

      根據工（gōng）作環境和使用要求，設計了小（xiǎo）型波紋管閥門的（de）內、外密封結構，達到了閥（fá）門要求的（de）密封精度和長期使（shǐ）用後的密封可靠性（xìng）。