CN107917264A - 一种超低温超高压静密封阀体连接结构 - Google Patents

一种超低温超高压静密封阀体连接结构 Download PDF

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鲍锦华
周炜
武正
许烨茹
孙纪国
郑孟伟
陶瑞峰
许健
赵莹
郭文君
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    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
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Abstract

本发明公开了一种超低温超高压静密封阀体连接结构，壳体和阀盖之间通过内外螺纹固定连接，通过对螺纹连接处阀盖厚度及螺纹长度的确定，可实现对压力20‑50MPa，温度为20K‑90K的低温介质在壳体内的可靠存储密封，采用螺纹连接，相比法兰加螺栓连接结构，整体结构尺寸变小，重量减轻；使用焊接密封结构，相比垫片密封结构，可以实现低温介质的零泄漏。

Description

一种超低温超高压静密封阀体连接结构
技术领域
本发明涉及一种超低温超高压静密封阀体连接结构，适用于大推力超高压液氢液氧火箭发动机阀门。
背景技术
一般阀门阀体连接使用法兰加螺栓方式，通常在低压常温环境中应用，密封采用非金属或金属垫片，此种连接密封方式结构空间大，密封压力不高，不适用于大推力超高压液氢液氧火箭发动机壳体结构。
国外由于对相关技术的封锁，无法查到相关技术方案。目前研制的大推力超高压液氢液氧火箭发动机阀门最高压力约50MPa，液氢温度最低约20K，通径最大240mm，壳体连接处介质轴向载荷最大约140吨。在此种严酷环境中，需要一种新的结构设计，既能满足连接强度和密封需要，又能降低结构尺寸和重量。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种超低温超高压静密封阀体连接结构，既能满足连接强度和密封需要，又能降低结构尺寸和重量。
本发明的技术解决方案是：
一种超低温超高压静密封阀体连接结构，包括壳体和阀盖，壳体内压力20-50MPa，壳体内介质温度为20-90K；
壳体和阀盖之间通过内外螺纹固定连接，壳体和阀盖外壁的贴合面处设置有径向的两个外径一致的凸台，两个凸台之间焊接密封；
螺纹连接处阀盖最小厚度与介质工作压力及阀盖的内径成正比；
螺纹长度与介质工作压力及螺纹公称直径成正比；
确定螺纹连接处阀盖最小厚度S的方法为：
螺纹连接处的阀盖强度式中：P为介质工作压力，D为阀盖的内径，为焊缝系数，S为阀盖的厚度；阀盖厚度的安全系数[σ]为阀盖的许用应力，n1不小于2.5；
确定螺纹长度和螺距的方法为：
式中，τ为螺纹根部剪切应力，Pz为壳体和阀盖连接处的最大轴向载荷，Aj为单牙螺纹受剪面积，Kz为螺纹不均匀系数，t为螺纹螺距，d为螺纹公称直径，z为螺纹旋合圈数，H为螺纹长度；
螺纹根部剪切安全系数[τ]为阀盖及壳体材料的许用剪切应力，n2不小于2.5；
σZY为螺纹表面挤压应力，Ay为单牙螺纹受挤压面积；
螺纹表面挤压安全系数[σ]为阀盖及壳体材料的许用应力，n3不小于2.5；
σW＝Pz·XL/(Kz·z·w)，σW为螺纹根部弯曲应力，XL为螺纹弯曲力臂，w为单牙螺纹根部截面系数；
螺纹根部弯曲安全系数[σ]为阀盖及壳体材料的许用应力，n4不小于2.5。
两个凸台之间焊接厚度为0.4-0.6mm。
两个凸台的高度不低于焊接厚度的5倍。
壳体和阀盖材料一致，为可耐20K低温的金属材料。
外螺纹的螺纹长度大于内螺纹的螺纹长度。
焊接密封处的氦漏率不大于1x10-7Pa·m3/s。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明壳体和阀盖之间通过内外螺纹固定连接，通过对螺纹连接处阀盖厚度及螺纹长度的确定，可实现对压力20-50MPa，温度为20K-90K的低温介质在壳体内的可靠存储密封；
(2)本发明采用螺纹连接，相比法兰加螺栓连接结构，整体结构尺寸变小，重量减轻；使用焊接密封结构，相比垫片密封结构，可以实现低温介质的零泄漏。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面参见附图对本发明进行详细描述。
本发明应用于处于超低温超高压环境中的阀体静密封连接结构。壳体和阀盖之间使用螺纹连接，根据阀体内介质压力产生的轴向载荷反算螺纹强度，根据计算结果设计合理的螺纹长度和螺距。壳体和阀盖连接处密封使用电子束焊接工艺，焊接深度一般0.5mm左右，为满足壳体多次分解的需求，壳体和阀盖上留有焊接凸台，分解前车掉焊缝，重装时重新焊接保证密封，详细设计如下：
如图1所示，一种超低温超高压静密封阀体连接结构，包括壳体1和阀盖2，壳体1内压力20-50MPa，介质温度为20K-90K；
壳体1和阀盖2之间通过内外螺纹固定连接，壳体4和阀盖2外壁的贴合面处设置有径向的两个外径一致的凸台，两个凸台之间焊接密封；
螺纹连接处阀盖最小厚度与介质工作压力及阀盖的内径成正比；
螺纹长度与介质工作压力及螺纹公称直径成正比；
确定螺纹连接处阀盖最小厚度S的方法为：
螺纹连接处的阀盖强度
式中：P为介质工作压力，D为阀盖的内径，为焊缝系数，S为阀盖的厚度；阀盖厚度的安全系数[σ]为阀盖的许用应力，n1不小于2.5；
确定螺纹长度和螺距的方法为：
式中，τ为螺纹根部剪切应力，Pz为壳体和阀盖连接处的最大轴向载荷，Aj为单牙螺纹受剪面积，Kz为螺纹不均匀系数，t为螺纹螺距，d为螺纹公称直径，z为螺纹旋合圈数，H为螺纹长度；
螺纹根部剪切安全系数[τ]为阀盖及壳体材料的许用剪切应力，n2不小于2.5；
σZY为螺纹表面挤压应力，Ay为单牙螺纹受挤压面积；
螺纹表面挤压安全系数[σ]为阀盖及壳体材料的许用应力，n3不小于2.5；
σW＝Pz·XL/(Kz·z·w)，σW为螺纹根部弯曲应力，XL为螺纹弯曲力臂，w为单牙螺纹根部截面系数；
螺纹根部弯曲安全系数[σ]为阀盖及壳体材料的许用应力，n4不小于2.5；
通过控制焊接工艺参数，保证焊缝的焊接厚度不要太厚，确保方便车掉焊缝，可将焊接厚度控制在0.4-0.6mm之间；
壳体中的零件出现故障维修，需要多次分解车掉焊缝，需要满足能够至少分解重装5次，为此，两个凸台的高度应设计成不低于焊接厚度的5倍。
为满足多次拆装需求，密封焊接处焊缝厚度较薄，采用同种金属焊接，焊接过程可不用填充焊料，确保焊接的质量，使焊接的密封性符合要求，壳体和阀盖材料尽可能一致，选用可耐20K低温的金属材料。
外螺纹的螺纹长度大于内螺纹的螺纹长度，以保证旋合到位后，焊接面紧密贴合，螺纹啮合处轴向无干涉。
阀壳连接处密封使用电子束焊接工艺进行焊接，焊接后进行密封性检查，焊接密封处的氦漏率不大于1x10-7Pa·m3/s，如果漏率超标，允许补焊2次，否则为报废零件。
在常温低压的阀门装配检查过程中，在螺纹啮合的轴向限位处设置有金属密封圈，无需在凸台处进行焊接，仅通过螺纹连接+密封圈的形式实现固定连接及密封。
本发明壳体和阀盖之间通过内外螺纹固定连接，通过对螺纹连接处阀盖厚度及螺纹长度的确定，可实现对压力20-50MPa，温度为20K-90K的低温介质在壳体内的可靠存储密封。
采用螺纹连接，相比法兰加螺栓连接结构，整体结构尺寸变小，重量减轻；使用焊接密封结构，相比垫片密封结构，可以实现低温介质的零泄漏。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种超低温超高压静密封阀体连接结构，其特征在于，包括壳体和阀盖，壳体内压力20-50MPa，壳体内介质温度为20-90K；
壳体和阀盖之间通过内外螺纹固定连接，壳体和阀盖外壁的贴合面处设置有径向的两个外径一致的凸台，两个凸台之间焊接密封；
螺纹连接处阀盖最小厚度与介质工作压力及阀盖的内径成正比；
螺纹长度与介质工作压力及螺纹公称直径成正比；
确定螺纹连接处阀盖最小厚度S的方法为：
螺纹连接处的阀盖强度式中：P为介质工作压力，D为阀盖的内径，为焊缝系数，S为阀盖的厚度；阀盖厚度的安全系数[σ]为阀盖的许用应力，n1不小于2.5；
确定螺纹长度和螺距的方法为：
式中，τ为螺纹根部剪切应力，Pz为壳体和阀盖连接处的最大轴向载荷，Aj为单牙螺纹受剪面积，Kz为螺纹不均匀系数，t为螺纹螺距，d为螺纹公称直径，z为螺纹旋合圈数，H为螺纹长度；
螺纹根部剪切安全系数[τ]为阀盖及壳体材料的许用剪切应力，n2不小于2.5；
σZY为螺纹表面挤压应力，Ay为单牙螺纹受挤压面积；
螺纹表面挤压安全系数[σ]为阀盖及壳体材料的许用应力，n3不小于2.5；
σW＝Pz·XL/(Kz·z·w)，σW为螺纹根部弯曲应力，XL为螺纹弯曲力臂，w为单牙螺纹根部截面系数；
螺纹根部弯曲安全系数[σ]为阀盖及壳体材料的许用应力，n4不小于2.5。
2.如权利要求1所述的一种超低温超高压静密封阀体连接结构，其特征在于，两个凸台之间焊接厚度为0.4-0.6mm。
3.如权利要求1所述的一种超低温超高压静密封阀体连接结构，其特征在于，两个凸台的高度不低于焊接厚度的5倍。
4.如权利要求1所述的一种超低温超高压静密封阀体连接结构，其特征在于，壳体和阀盖材料一致，为可耐20K低温的金属材料。
5.如权利要求1所述的一种超低温超高压静密封阀体连接结构，其特征在于，外螺纹的螺纹长度大于内螺纹的螺纹长度。
6.如权利要求1所述的一种超低温超高压静密封阀体连接结构，其特征在于，焊接密封处的氦漏率不大于1x10-7Pa·m3/s。
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