降低低温截止阀波纹管破坏率的研究

    低温截止阀门是运输液氢、液氧、液氮等低温介质时的关键设备，其广泛用于我国航天领域试车和发射任务中。波纹管是低温阀门中重要的组件，起到补偿低温介质引起的管壁伸缩变形的作用。波纹管补偿器之所以能够在许多行业中得到广泛应用，除具有良好的补偿能力之外，高可靠性是主要原因。其可靠性是通过设计、制造、安装、运行管理等多个环节来保证的，任何一个环节的失控都会导致补偿器寿命的降低甚至失效。

    1 低温阀门波纹管破坏现状

    根据阀门的形式及需要的不同，一台低温阀门需要一个或多个波纹管。然而，波纹管属于薄壁材料，且有弹性大刚度小的特点，在低温阀门的制造、组装和试验的过程中，阀门波纹管的破坏率较高，使得阀门局部或整体结构失效，难以修复。另外，波纹管为非标类产品，需要根据口径、压力、寿命、补偿量等数据进行专门设计并采购，生产周期长。波纹管破坏的问题不仅延长了阀门的生产周期，而且大大增加了阀门的生产成本。因此，降低低温阀门波纹管破坏率对于控制阀门的生产成本、提高生产效率和提高阀门的可靠性有着重要的意义。

    2 阀门波纹管破坏的原因分析

    通过对我单位低温截止阀门生产车间进行调研，针对波纹管损坏率高的问题采用头脑风暴法，对造成这一问题可能的原因进行详细分析。

    2.1 人员因素

    焊接人员焊接水平不足：经统计，我单位车间阀门焊接的相关操作人员的实际情况，他们均具有岗位技术等级证书（焊工等级证等），并具有5年以上焊接经验，焊接操作人员的合格率为100%。

    波纹管气压试验时打压压力过高：经了解，操作人员熟悉阀门相关试验方法，从事阀门工作均有5年以上经验。相关工装齐全，使用方式正确。

    2.2 原材料因素

    经核实，外购波纹管均有合格证书，同时，操作人员测量了波纹管的尺寸，满足提料要求。还对其进行了液氮冷冻试验，然后进行氦质谱检漏，确保了波纹管在使用前没有损坏、裂纹。外购波纹管合格率为100%。

    2.3 工艺因素

    波纹管焊接工艺不完善：经调查，波纹管焊接工艺过程不明确，导致焊接过程不规范。例如，焊接前没有用同轴工装固定波纹管，导致波纹管和阀门内腔不同轴，焊接件坡口不规范等、焊接时未采用湿布对波纹管进行保护。所以，此因素为波纹管破坏率高的主要原因。

    搬运、存放阀门的方式不得当：经调查，关于波纹管搬运、存放的工艺要求不明确，造成波纹管在搬运、存放过程中的损坏。例如，搬运阀门方法不得当，导致阀门波纹管弯曲损坏，阀门波纹管外没有保护措施，致使波纹管易造意外损坏等。所以，此因素为波纹管破坏率高的主要原因。

    2.4 环境因素

    经调查，存放波纹管的环境干燥清洁，没有多余物，不会造成波纹管的腐蚀损坏。

    2.5 设备因素

    经核实，焊接波纹管的焊接设备均在在使用期限内。焊丝型号符合图纸要求，焊丝均有产品合格证。

    3 降低阀门波纹管破坏率的改进措施

    针对造成波纹管破坏率高的波纹管焊接工艺不完善和搬运、存放阀门的方式不得当这两项主要因素，制定了相应的对策来防止波纹管破坏。

    3.1 制定完整的波纹管焊接工艺指导书

    （1）严格按照图纸意图，制定合理的波纹管焊接顺序。QC小组成员与设计人员沟通，理解设计意图，在满足功能的情况下，规定了波纹管及相关部件的焊接顺序，从工艺角度最大程度的保障了波纹管在焊接过程中不受破坏。例如，某型号阀门阀杆处波纹管及相关部件的焊接顺序，如图1所示。由图1可以看出，修改前焊接波纹管及相关部件时，最后一道焊缝距离波纹管很近，焊接时飞溅的焊液容易损坏波纹管，而改进后的波纹管焊接方式是先将相关部件焊接好，再将波纹管和其焊接，焊接最后一道焊缝时，波纹管已被内衬筒保护，减小了焊接时对波纹管损坏的可能性。

图1 某型号阀门阀杆处波纹管的焊接顺序

    （2）采用湿布保护法。在焊接波纹管时，可以用湿布包裹波纹管一侧，一方面防止波纹管局部过热变形损坏，另一方面防止了飞溅的焊液损伤波纹管。实施情况如图2所示。

图2 湿布保护法实施情况

    （3）规范实际焊接中波纹管的焊接坡口形式及焊接端面形式。由于实际操作中波纹管和焊接件壁厚不一定相同，焊接时应当使波纹管壁厚和焊接件坡口附近壁厚相同，具体实施方案如图3所示。

图3 波纹管焊接时的坡口形式及焊接端面形式

    （4）将阀杆与其导向部件组装后，再将波纹管套在阀杆上，进行相关焊接，保证了波纹管和阀杆及阀体的同轴度。示意图如图4。

图4 保证波纹管同轴度实施情况

    3.2 规范波纹管的搬运、存放工艺要求

    （1）制作阀门搬运工装，确保搬运过程中不损坏波纹管。设计人员设计了搬运阀门专用工装，如需搬运阀门，先将工装安装在阀门上再进行搬运，有效避免了搬运过程中对波纹管的弯曲损坏，实施情况如图5所示。

图5 阀门搬运工装实施情况

    （2）制作阀门存放时保护波纹管的工装。设计人员设计了阀门上易破坏波纹管的专用工装，保证阀门在存放期间波纹管不被意外情况损坏，并在阀门存放区域旁放置标示牌进行标识，例如，波纹管不会被跌落的扳手等意外情况损坏。

    4 总结和展望

    在采取了本文所述的措施之后，对2012年10月至2013年4月在我车间生产的13台阀门进行了调研统计，只有1台阀门出现了波纹管损坏的情况。

    随着低温截止阀门需求量日益增加，本文通过应用科学的理论和方法，对阀门波纹管破坏率高的现象进行分析，找到了导致阀门波纹管破坏率高的主要因素，并提出了相应的对策，有效降低了阀门的生产成本，保证了阀门的可靠性。

    在后期阀门生产过程中，利用本文所述的改进方法降低了阀门的废品率，消除了波纹管损坏造成阀门失效的隐患。我们也可以不断改进，采取新的方法，不断提高阀门产品的质量。