车用LNG供气系统调压阀失效模式分析及改进方法

曹 君 ，唐永科 ，王建京 ，韩 利

（1.西安德森新能源装备有限公司，陕西 西安 710043；2.西安航天远征流体控制股份有限公司，陕西 西安 710100）

调压阀[1]普遍应用与工业及民用各种容器中，随着近几年LNG汽车[2]在物流中的批量应用，调压阀在车载LNG气瓶及供气系统的应用也越来越普及，但随着车载LNG气瓶及供气系统大量的应用，调压阀在车载LNG气瓶及供气系统之中的应用还存在诸多优化[3]改进项。本文针对调压阀失效模式进行研究，诸如阀体阀盖螺纹连接密封处漏气、呼吸孔处漏气、开闭缓慢或卡死等，并提出了解决措施。

1 对失效调压阀进行检测

1.1 常规性能测试

产品的常规性能测试结果如表1所示。从表1中数据看，调节阀外密封良好、动作灵活，但产品的入、出口压力相等（即入、出口直通），表明阀门的内密封状况不良。

表1 低温调节阀检测结果

1.2 流量测试结果

为进一步分析问题，我们对该产品进行了流量测试。流量特性曲线如图1所示。

图1 低温调节阀运行试验后与产品出厂前流量特性曲线对比图

测试结果表明，该产品的流量明显偏小：与产品出厂前相比，经过近1个月的运行试验后，其通流能力显著下降。从测试结果看，尽管产品返厂前，车辆行驶状况尚未出现异常，但此时阀门实际上已经初现故障苗头。因此，从故障预防的角度讲，有必要引起重视。

从上述检测结果看，产品的故障模式主要有以下两种：

（1）产品的入、出口流道直通

产品的入、出口流道直通表明产品的内密封面出现了损伤，这将可能导致贮液罐内的介质压力持续上升，致使贮液罐上的安全阀频繁开启，最终造成车辆百公里气耗率的上升。当车辆长时间停驶时，表现将更为严重。

（2）产品流量明显变小，通流能力下降

车辆行驶时，增压阀流量偏小，有可能导致贮液罐增压不够迅速，不能满足车辆行驶时（尤其是爬坡时）对燃料的需求。

2 故障原因分析

2.1 产品分解后元件检测结果

为分析产品失效原因，对其进行了分解，其主要失效模式表现如下：

（1）内密封处存在白色多余物；

（2）阀芯处的白色多余物及金属屑；

（3）阀芯密封面处的影像仪投影图。

2.2 原因分析

白色多余物存在于阀体的阀座密封面与阀芯密封面之间，虽然在进行常规性能试验和流量特性试验时，介质流经该流道，但仍未被吹除。经分析，材质为生料带。阀芯密封面处有凹坑及嵌入的金属屑、白色多余物、黑色不明物质。多余物的来源可能有以下几种：

（1）介质本身可能存在固体杂质；

（2）贮液罐加注口附近可能存在多余物（如砂粒等），加注介质时被带入贮液罐；

（3）在旋入与调节阀连接的管接头时，由于螺纹间的摩擦作用，不可避免会产生一些铜屑及破碎的生料带等。

上述多余物滞留在阀芯密封面附近，将造成阀芯/阀座密封副的密封失效，导致阀门的内密封性能恶化，使阀门的入口、出口相贯通。同时由于调节阀工作时，其阀芯的抬起高度本身就很小，阀芯密封面处存在多余物，客观上造成了流通面积减小，导致产品的实际流量偏低，增压不够迅速，不能满足车辆行驶时（尤其是爬坡时）对燃料的需求。

3 解决措施

3.1 元件清理后重装

对拆解后的产品零件进行了清洗。但是阀芯密封面处的部分铜屑嵌入阀芯密封面处较深，无法清理；部分铜屑清除后有压坑（永久性损伤，不可恢复），压坑深度约0.3mm.为验证阀芯上的永久性伤痕对产品密封性能的影响，在对零件进行彻底清理、清洗后重新装配、试验。试验结果表明，阀门的入、出口压力相等，仍为贯通状态，其内密封性能无明显改善。

3.2 产品修复

由于阀芯密封面上的伤痕为永久性损伤，不可恢复，故更换新的阀芯（其余零件不变），重新装配后进行了常规性能测试和流量特性测试。

（1）常规性能测试

更换阀芯后的产品常规性能测试结果如表2所列。检测结果表明，更换合格的阀芯后，产品的内密封性能满足用户要求。

表2 更换阀芯后的检测结果

（2）流量特性测试

产品修复前后流量特性对比曲线如图2所示。由图2可以看出，产品修复后，流量明显增大，通流能力显著增强。

图2 产品修复前后流量对比图

3.3 改进

由以上分析可以看出，多余物进入产品内部，是造成故障的主要原因。多余物的来源可能有以下几种：介质本身可能存在固体杂质；贮液罐加注口附近可能存在多余物（如砂粒等），加注介质时被带入贮液罐；在旋入与调节阀连接的管接头时，由于螺纹间的摩擦作用，不可避免会产生一些铜屑及破碎的生料带等。为杜绝多余物进入管路系统内部，采取以下措施：

（1）在系统的加注口处（加注口与进液单向阀之间）加装过滤器，可有效防止外来多余物进入供气系统；

（2）改进装配流程，优化装配顺序。由厂家预先在阀门装配前装好进出口管接头，然后对阀体/管接头组合件进行彻底清洗后再进行阀门的后续装配，可有效杜绝管接头旋入时产生的切屑；

（3）进行系统总成时，采用调节阀自带的滤芯结构（入口处）如图3所示。

图3 采用滤芯结构

3.4 改进后效果

经过市场验证，此种加过滤芯的结构能够明显的降低车用LNG供气系统调压阀的故障率，为行车安全及经济性起到了良好的效果。

4 结束语

本文针对车用LNG供气系统调压阀存在的问题，研究了车用LNG供气系统调压阀的失效模式，对其失效原因进行了分析研究，并针对其问题提出了解决方案，最终测试得出结论，证明了解决方案的可行性。通过该问题的研究，对以后的现场操作起到了操作可行性、解决问题的重大意义。

[1]吴国洋，何泽银，李国云，黄正华.调压阀内流道流场分析及阀芯结构改进[J].兰州理工大学报，2013，39（3）：38-42.

[2]胡翔成.贵阳公交“油改气”十大建议[J].运输经理世界，2013，（9）：40.

[3]王奇军.压阀在天然气处理系统改造中的应用[J].中国科技纵横，2014，（3）：80-83.