随着我国航天事业的快速发展，以液氢液氧为代表的低温高能推进剂得到了广泛的应用。液氢液氧火箭发动机的研制也取得了巨大的成功。发动机及地面试验和发射设施中
低温调节阀（使用温度-253℃~-183℃）被广泛的应用，目前一台氢氧火箭发动机上使用的各种低温
阀门量约10余台，地面氢氧火箭发动机试验台使用量约20余台。在这些低温阀门中低温
球阀以其独特的液流及使用特性得到了极大的发展与应用，其中在对重量没有严格要求的地面试验及发射设施中应用更广，占低温阀门总数80%以上。
因此，总结30余年来低温球阀在航天领域的应用情况，分析存在的问题，对于进一步更好地发展和使用低温球阀、促进型号研制具有十分重要的意义。
一、低温球阀的航天应用情况
1、低温球阀的液流特性和应用的主要领域
1.1 低温球阀的液流特性
低温球阀在航天的应用是由其液流特点决定的，对于低温球阀来说，其阀内流体稳定流动能量方程式为
dq=dh+cdc+gdz+dw
1+dw
2 （1）
式中q---传入低温介质的比热量，由阀门外界传入热量q
0和流体摩擦热q
F组成；
h---比焓值；
c---流体流动速度；
g---重力加速度；
z---高度；
w
1---流动所做的比工程功；
w
2---比摩擦功。
由于dh=du+d（pv）=du+pdv+vdp 式中u---低温介质比内能；
p---流体压力；
v---比热容。
又dq=du+pdv；
则有vdp+cdc+dw
1+dw
2+gdz=0 （2）
由于阀内流体流经阀门时不会对外界产生工程功，且势能与动能的变化值也很小，可以忽略不计，则有：
dw
2=-vdp （3）
若忽略阀门外界传入热量，即dq
0=0，则有dq
0+dq
F=dh+dw
2，即dh=0，这表明介质流过阀门是一个绝热节流过程；但流体流动的摩擦功是存在的，对于不可压缩液体来说：
dh=du+pdv+vdp=du+vdp=0
也即-vdp=du=dq
F=dw
2 （4）
（4）式表明流体经过阀内的摩擦功转化为摩擦热，摩擦热消耗在增加低温介质的内能上（加热），由于流体通过阀内时速度c变化很小，摩擦热可用介质速度等表示为：
q
F=ξD
2Nρc
3 （5）
其中ξ---流阻系数；D
N---阀门通径；ρ---流体密度。
在D
N，ρ，c确定的情况下，q
F主要决定于流阻系数ξ，两者成正比，ξ越小则q
F越小，对低温介质的内能变化就越小，从而对极易汽化的低温介质来说，可以保证流体流经阀门为单相流。由于低温液体（如液氢、液氧、液氮等）汽化潜热非常小，在一个大气压下液氢汽化潜热为445.9kJ/kg，液氧为212.3kJ/kg，液氮为197.6kJ/kg，因此在传输流动过程中因摩擦热或外界传热极易汽化，从而在管内或阀内产生两相流。两相流的存在不仅造成了氢、氧泵在启动时出现汽蚀，造成泵损坏或紧急关机，而且影响管道低温流体的传输品质。由于球阀的流阻系数ξ值很小，仅相当于相同通径的管道的流阻系数，一般工程上取值约为0.1，而
截止阀通常约为4~7，
旋塞阀通常约为0.4~1.2，旋启式
止回阀通常约为0.8~2
[1]。因此，可以看出低温球阀的液流特性明显优于其它阀门。
1.2低温球阀应用的主要领域
低温球阀良好的液流特性使其应用广泛，同时球阀操作方便，开闭迅速，从全开到全关只要旋转90°。另外其结构简单，密封可靠，维修方便，在全开和全闭时，球体和阀座的密封面与介质隔离，高速通过阀门的介质也不会引起阀门密封面的侵蚀。鉴于此，低温球阀在航天上应用广泛，其主要领域集中于以下方面：
（1）氢氧火箭发动机试车台、组合件试车台。用于液氢、液氧管路，其中包括主管道截流、排泄、紧急排放、容器放空、管道加注、排泄等。
（2）氢氧火箭发动机。用于氢、氧泵前阀。
（3）靶场发射。用于靶场液氢、液氧、液氮地面加注、排泄、放空、转注，低温槽车上使用。
（4）其它。用于姿控发动机高空模拟试车台液氮冷凝器容器及管路液体的截流、转注、放空，其它小型试验加注、截流、排放，液氢厂转注时应用。
2、已设计使用的低温球阀的主要类型
经过30余年的研究、发展和应用，目前航天上已设计使用的低温球阀的主要类型根据球的结构形式一般有两种，即浮动球球阀和固定球球阀，弹性球球阀未见使用。
浮动球球阀球体是浮动的，其利用流体介质压力作用使球体产生一定的位移并压紧在出口端的密封圈上，保证出口端密封，这种结构由于球体承受的介质力全部作用在出口密封圈上，因此，广泛应用于氢氧火箭发动机试车台和靶场等地面中低压管路系统，其典型结构如图1、图2。已设计使用的有下列几种规格，见表1。
表1 已设计使用的浮动球球阀的规格
| 型号 项目
| SF1-7
| SF1-14
| SF1-24
| PC2435
| SF1-8
| SF7-15
| Sd992-3，
Sd992-4
|
| pN/MPa
| 5
| 5
| 1.6
| 1.6
| 0.5
| 0.5
| 0.5
|
| DN/mm
| 45
| 45
| 80
| 80
| 100
| 100
| 165
|
| 操作方式
| 手动
| 手动
| 手动
| 手动
| 手动
| 手动
| 气动 |
固定球球阀的球体是固定的受压后不产生移动，通常都带有活动阀座，在低温或常温下工作密封面与球体一般不会产生硬摩擦，操作扭矩较小其密封可靠，尤其适合于可靠性要求较高的场合。在航天上主要应用于氢氧火箭发动机氢、氧泵前阀，其典型结构如图3、图4
[2，3]，主要规格有φ50、φ70和φ165，额定压力0.5MPa左右。
3、低温球阀的结构特点及材料选择
3.1 低温球阀的结构特点
航天用低温球阀由于用于深冷和液氢、液氧易燃易爆等恶劣环境及高可靠要求，在结构设计上，以可靠、便于操作、工作寿命长、结构简单为特点。在球体结构、阀座和密封面结构、传动装置、绝热结构、填料密封结构等方面均考虑了较多影响因素，其中如低温补偿、转动惯性力、阀门重量控制、漏热量等。
球体结构一般采用整体对称性，这主要考虑冷收缩时均匀一致和转动摩擦，对小口径球阀，采用整体球较好，如φ45，φ50的球阀。但由于球转动时惯性力较大，同时考虑减少重量和预冷量等要求，因此，在较大口径球阀中又采用空心球或铝球，尤其在型号上天产品上后两点尤为重要。如地面用φ80通径以上球阀，型号用φ70，φ165通径球阀的球体结构均采用空心球或铝球结构。
阀座和密封面结构采用了聚四氟乙烯镶嵌在金属骨架上作成阀座的形式。由于聚四氟乙烯的一系列较优异的特点，尤其是液氢、液氧工作环境中的良好性能
[3]，使其广泛地在航天低温球阀中得到了应用。阀座一般采用的是固定的或弹性的密封结构，在地面使用中固定式球阀多采用固定阀座，也有采用弹性阀座的；型号用球阀目前均采用弹性结构，其中采用双波纹管组件结构操纵阀座是目前较先进和成功的一种结构。阀座上的密封面采用的是球面密封形式，但实际上由于氟
-4冷流，密封面并非为线接触，而是球面接触，其密封性在常温和低温下使用均保持较好。
传动装置即用于打开、调节和关闭球阀的机构，根据使用要求、安装位置、口径、压力等情况，目前航天应用的低温球阀传动装置有手动、气动两种，部分地面球阀根据不同情况使用可同时具备手动和气动传动功能。手动传动装置目前主要用于地面系统上，尤其是加注、排泄等场合，便于人工控制流量和加注速度；气动传动装置因为可以远离现场，尤其是试验或发射现场，且通过
电磁阀控制气动装置的供气和断气，这样球阀就可实现程序控制，从而极大地方便了试验或发射的组织进行，因此应用非常广泛。目前地面系统上球阀气动装置采用气缸曲柄结构，同时保留手动上阀杆的传动位置；而型号用低温球阀气动装置则采用气动换向阀、气动纹管组件和齿条齿轮轴组合形式。
绝热结构是低温球阀必须考虑的问题，由于使用要求及环境不同，目前有真空夹层绝热和外绝热两种形式。地面用球阀因为可不用过多考虑重量问题，故采用前者；而型号低温球阀基本采用后者，一般由低温胶、泡沫塑料、密封加固和隔热防火及热反射层等组成。为防止阀杆和阀体通过热导传热，地面用的低温球阀还采用加长热桥和采用隔热套将阀杆分为上下两部分的形式进行绝热，可参见图1和图2。另外真空夹套中还采用吸附装置提高真空度，液氧球阀中禁止用活性炭作吸附剂，这主要防止因焊缝时间长泄漏造成液氧与活性炭化学反应燃烧的缘故。
填料密封结构对于地面固定式球阀一般采用两道不锈钢支撑嵌氟
-4垫、外加铜垫片密封形式；型号则不采用填料形式，而是将运动件与静止件用波纹管焊在一起，将静止件用法兰固定在壳体上，再用密封垫来密封的形式。
3.2 低温球阀的材料选择
航天用低温球阀的材料选择，不仅要考虑材料的低温下强度、刚度、相容性、低温补偿等要求；同时作为型号上天产品还要考虑其重量，对于地面用则要考虑长期使用的可靠性。表2介绍了低温球阀主要零件在地面和上天产品中的材料选择情况。
表2 低温球阀主要零件材料选择
| 零件
| 地面用低温球阀材料
| 型号用低温球阀材料
|
| 球体、阀体
| 1Cr18Ni9Ti 0Cr19Ni9
ZG1Cr18Ni9TiZG0Cr19Ni9
| LD10
|
| 阀座
| 1Cr18Ni9Ti
| LD10
|
| 阀座垫片、密封圈
| 聚四氟乙烯（符合ZBG33003）
| 聚四氟乙烯
|
| 阀杆
| 1Cr18Ni9Ti 0Cr19Ni9 0Cr19Ni9
| 1Cr18Ni9Ti
|
| 填料
| 聚四氟乙烯
| 聚四氟乙烯
|
| 波纹管
| 1Cr18Ni9Ti（部分阀结构有）
| 1Cr18Ni9Ti
|
| 连接螺栓
| 1Cr18Ni9Ti
| LD10
|
| 阀座弹簧
| 无
| 1Cr18Ni9Ti
|
| 吸附剂
| 分子筛、活性炭
（液氧阀禁用活性炭）
| 无吸附剂
|
| 压盖
| 1Cr18Ni9Ti
| LD10
|
| 隔热套
| 环氧玻璃钢
| 无 |
在上表中，所有奥氏体不锈钢零件材料均应进行固溶处理，阀体、球体、阀杆、阀盖、阀座等奥氏体不锈钢零件在精加工前，应浸泡在液氮中进行2次1h~2h深冷处理，以减少材料相变引起体积变化。当使用介质为液氧时，所选填料、垫片、吸附剂材料应与液氧相容。上述材料选择与国外有关标准较相近
[4]，其中奥氏体不锈钢的选择是低温阀门中较普遍使用的，其它还使用了一些有色金属。
二、低温球阀应用中存在的主要问题及改进试验情况
1、主要问题
低温球阀经过30余年的使用与研究，较好地达到了设计目的，但是发现在设计和使用方面存在一些问题，其中主要的问题有：
（1）地面用低温球阀阀体中腔异常升压问题
对于低温浮动球球阀，由于靠出口端密封一般很少出现阀体因介质汽化造成超压的问题，但是地面用的浮动球球阀，因其固有的缺点即装配时预紧力不易控制，需要用厚度不同的垫片来调整，同时操作扭矩较大。致使在常温气密性试验检查时为达到不泄漏的要求，对阀座装配调整可能较大或存在偏差，这样就出现在低温时因收缩不均匀造成球阀两侧不能密封的情况。在这种情况下，当球阀漏热量大时，球阀阀体中腔液体介质会汽化，造成阀体异常升压，可参见图2结构。这种情况在某型号试验台技术改造时对阀门检修时发现的，其中阀座压紧块上的波纹管严重挤压成皱状，球体严重变形，变成椭球，出现长短轴，并差4mm~6mm。另在低温性能试验时出现手动打不开阀门，采用加长杆打开后，也出现上述情况。这种情况如在型号试验时发生，将造成严重后果。这是近几年在浮动球球阀使用中发现存在的主要问题。
（2）阀座操作机构双波纹管组件爆裂问题
这种故障发生在一次型号球阀低温性能试验时，如图4所示结构的球阀用液氢进行介质试验时，先进行系统和阀门预冷，在比平时较长时间的预冷后，阀门进行开关动作，试验正常结束后将通气口E用球头螺帽拧紧，从试验系统上拆下阀门。但是在停放几小时后却发现阀门双波纹管组件出现爆裂，这是一起具有典型意义的阀门使用问题。
其它的一些问题还包括装配和生产中的问题，其中如气缸曲柄工作不到位，球阀没有全开；部分球阀上阀杆上开关标志搞错，造成操作混乱；球体加工不对称；密封面氟-4垫嵌入偏差等。
2、试验结果
经对改进后的10余台地面球阀进行了常温试验、液氮低温试验，改进效果良好；安装到试车台管路系统后，经20余次发动机试车表明球阀密封良好，再未出现球腔异常升压、球体变形等问题。
而对电磁阀进行空气隔离和氦气保护也解决了双波纹管的爆裂问题，经对试验系统进行改进，型号用低温球阀试验再未出现此类问题，并举一反三，对别的低温阀门试验亦进行了改进，杜绝了类似问题的发生。
3、问题的原因及改进方法
针对上述设计及使用中存在的问题，其原因及改进的方法如下：
（1）球体中腔异常升压问题属于设计问题，在设计时没有考虑低温介的特点，由于液氢、液氧、液氮等低温介质在一个大气压下汽化成常温气体，体积膨胀700~850倍，若绝热不好，漏热量较大，则球阀关闭后球腔内存有大量的液体，其汽化后体积膨胀，但球腔体积是有限的，便造成压力的升高，从而破坏球体及阀座组件。改进的方法是在入口端加泄压孔或称降压孔。
（2）双波纹管组件爆裂问题是属于使用问题，这是由于操纵双波纹管组件的控制气的缘故造成的。因为是液氢介质，故控制气选的是氦气，氦气由电磁阀控制。由于该阀的开关操作均是首先由通气口E通气，将阀座推开，然后球体通气转动，通气口E再撤气，阀座坐在球体上，当通气口E撤气后，也即控制通气口E的电磁阀断电后，由于电磁阀上有一小泄气孔，随着预冷时间的加长，阀体是冷系统，成为一个低温吸附器，使空气持续不断地通过电磁阀上的小泄压孔进入双波纹管内，形成液空或固空，当试验后通气口E拧紧，恢复常温时，液空或固空就汽化膨胀，从而将波纹管爆裂。
其改进的方法即是将控制电磁阀与空气隔离开，将电磁阀置于氦气保护的环境中，即可杜绝此类问题的发生。
其它的一些问题主要通过控制装配和加工质量即可解决，其中装配质量尤为重要，对于型号上天产品加工质量则会影响阀门的使用和发动机的正常工作。
三、结论及建议
低温球阀作为一种管道通断装置，30余年来在航天上取得了很大的成功和发展，为航天事业型号研制做出了重要贡献，随着我国新一代大推力氢氧火箭发动机研制工作的开展，低温球阀必将有更大的发展。但是这些发展都是由型号牵动的，低温球阀本身研制并没有形成系列，所形成的经验和知识也是非常有限的，这与国外航天用低温阀门（包括球阀）系列化、标准化的发展水平还存在差距。因此，必须在此方面加大研究开发力度，同时随着低温液体在医院供氧、化工、环保等民用领域的广泛应用，低温球阀也必将有更广阔的用武之地，可随成套设备或系统一起推向市场，因此，在低温应用方面军转民的项目中可大力推广；另外建议尽快提高我国低温球阀的加工水平和批生产能力，以更好地适应型号研制和市场发展需求。
参考资料
[1] 阀门设计.沈阳阀门研究所，1976
[2] 龙威.新型低温球阀的研制.低温工程，1996；（6）：15~21
[3] BS 6364.British Standard Specification forValves for Cryogenic Service，1984
[4] 何培君.液氢液氧发动机活门的设计.低温工程，1980；（2）：12~7
