銦絲密封件低溫密封性能實(shí)驗(yàn)研究

劉姝娟 金 滔 湯 珂 沙 龍

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

銦絲密封件低溫密封性能實(shí)驗(yàn)研究

劉姝娟 金 滔 湯 珂 沙 龍

(浙江大學(xué)制冷與低溫研究所 杭州 310027)

針對銦絲密封件，采用法蘭-密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行密封性能的實(shí)驗(yàn)研究，測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力范圍為0—10 MPa，設(shè)計(jì)溫度為-196℃?；趯?shí)驗(yàn)測試結(jié)果，探討了該密封結(jié)構(gòu)的螺栓預(yù)緊力、工作壓力及溫度等與泄漏率之間的關(guān)系。

低溫密封 銦絲 密封性能

1 引言

密封技術(shù)在航空航天、機(jī)械制造、石油化工等行業(yè)中的相關(guān)裝備(例如高壓、真空和液體管路等)中有著廣泛的應(yīng)用，且具有舉足輕重的作用。由于密封結(jié)構(gòu)的性能直接關(guān)系到相關(guān)設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行，無論從基礎(chǔ)研究或是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度都受到了很多關(guān)注，也已形成一些相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范［1-2］。

法蘭密封以其方便的可拆卸性而被廣泛運(yùn)用于流體密封中，如液氮冷管的連接密封等［3］。低溫系統(tǒng)中的密封結(jié)構(gòu)與常溫系統(tǒng)相比有很大的差別，這是由于材料在低溫環(huán)境下的物性與常溫下迥異，會出現(xiàn)熱脹冷縮、低溫脆性、材料微觀結(jié)構(gòu)上的相變，甚至?xí)c相關(guān)流體發(fā)生物理乃至化學(xué)作用(例如氫脆)等現(xiàn)象。綜合考慮材料的物性及低溫條件的影響，一些軟金屬可被用于制成低溫下應(yīng)用的密封圈，較常見的有銦、鋁、銀、鎳和無氧銅等。

由于軟金屬在低溫密封中較廣泛的應(yīng)用，前人對其密封特性也已有一些相關(guān)的研究和總結(jié)。文獻(xiàn)［4］在液氮、液氦溫度下對5種純金屬和4種法蘭行了結(jié)構(gòu)密封性能試驗(yàn)，不過并未給出泄漏率與工作壓力之間的關(guān)系。文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］中采用銦絲作為密封件，獲得了良好的密封效果，但對采用銦絲密封件的裝置在不同工況下，其螺栓預(yù)緊力、工作壓力和低溫環(huán)境等因素對泄漏率有何影響的規(guī)律性規(guī)范少有研究。本研究擬采用某環(huán)境模擬器中的液氮冷管法蘭密封結(jié)構(gòu)，針對銦絲密封件，研究常溫和低溫下密封結(jié)構(gòu)的螺栓預(yù)緊力、工作壓力與泄漏率之間的關(guān)系。

2 法蘭密封性能測試方法及裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)對象和目的

研究對象是法蘭-銦密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)(圖1中的被檢法蘭部分)，目的在于測取螺栓預(yù)緊力、工作壓力、溫度和泄漏率，探尋相互之間的規(guī)律。

圖1 法蘭-銦密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of flange-seal component-bolt structure

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)溫度分別為常溫和低溫(-196℃)2個(gè)溫度位，被檢法蘭的設(shè)計(jì)工作壓力為0—10 MPa?？紤]到高壓和低溫這兩個(gè)因素，選擇氦氣作為測試系統(tǒng)內(nèi)的充壓氣體。一方面是由于在液氮溫區(qū)氦氣不會發(fā)生液化，不會燃爆;其次由于氦氣的分子直徑小，滲透性較強(qiáng)，適合作為檢漏介質(zhì)。為此，可以采用氦質(zhì)譜檢漏儀對系統(tǒng)的密封特性進(jìn)行檢測，實(shí)驗(yàn)過程中只要對被檢法蘭密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行充壓，外部設(shè)置一個(gè)檢漏腔連接至氦質(zhì)譜檢漏儀，即能測得被檢法蘭密封結(jié)構(gòu)的泄漏率。

2.2 螺栓預(yù)緊力的測量方法

為保證在螺栓擰緊的過程中預(yù)緊力在各顆螺栓上(共8顆)均衡分布，采用了應(yīng)變片電橋法對螺栓預(yù)緊力進(jìn)行測量和控制。在被檢法蘭的螺桿上粘貼應(yīng)變片，并接入如圖2所示的電橋，即可測得相應(yīng)的應(yīng)變值?？紤]到螺栓的實(shí)際預(yù)緊過程并非理想的單軸拉伸，存在彎矩的影響，于是采用串聯(lián)貼片法，而且貼片位置選擇兩個(gè)對面(見圖2)，從而確保更準(zhǔn)確地測得螺栓的軸向力。

圖2 應(yīng)變片法測螺栓應(yīng)變示意圖Fig.2 Schematic diagram of bridge circuit and schematic of strain gauge

應(yīng)變片A和B是兩片相同規(guī)格的應(yīng)變片(RA=RB)。螺栓預(yù)緊時(shí)，應(yīng)變片A的電阻變化為ΔRA=ΔRz(軸向應(yīng)變)+ΔRw(彎曲應(yīng)變)，同樣地，應(yīng)變片B的電阻變化為ΔRB=ΔRz-ΔRw。若不采用串聯(lián)貼片，則所測螺栓的應(yīng)變?yōu)?εA=(ΔRz+ΔRw)/RA或εB=(ΔRz-ΔRw)/RA，顯然，彎曲應(yīng)變 ΔRw對準(zhǔn)確測取螺栓的軸向應(yīng)變有很大的影響。在采用串聯(lián)貼片時(shí)，應(yīng)變片A和應(yīng)變片B的平均應(yīng)變值為(εA+εB)/2=［(ΔRz+ΔRw)/RA+(ΔRz-ΔRw)/RB］/2=ΔRz/RA，從計(jì)算公式中可以看出，這個(gè)平均值可以消除彎曲應(yīng)變。根據(jù)惠斯通電橋原理，電橋所測得的橋路R4應(yīng)變值為 ε4=［(ΔRz+ΔRw)+(ΔRz-ΔRw)］/(RA+RB)= ΔRz/RA，由此，ε4=(εA+ εB)/2，即為 2個(gè)應(yīng)變片所測應(yīng)變值的平均，就得到消除了彎曲應(yīng)變影響的螺栓軸向應(yīng)變值。根據(jù)F=AEε=AEε4(A為螺栓橫截面積，E為螺栓材料的彈性模量，ε為螺栓軸向應(yīng)變值)，便可計(jì)算出螺栓的預(yù)緊力。下文所提的預(yù)緊力均是指一顆螺栓上的預(yù)緊力值。

2.3 法蘭密封性能測試裝置

法蘭密封性能測試裝置如圖3所示，主要由以下部分組成:(1)氦氣源，用于對被檢法蘭密封結(jié)構(gòu)的充氣腔充入不同壓力的氦氣;(2)氦質(zhì)譜檢漏儀，用于定量檢測出密封結(jié)構(gòu)的泄漏率;(3)低溫裝置部分(常溫實(shí)驗(yàn)中不需要)，用于提供低溫環(huán)境;(4)被檢法蘭密封結(jié)構(gòu)試件和檢漏腔;(5)真空系統(tǒng)，在檢漏之前對充氣腔進(jìn)行抽空;(6)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集充氣腔的工作壓力值、溫度值和螺栓應(yīng)變片應(yīng)變值;(7)放氣系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將充氣腔中的高壓氦氣排空。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于密封結(jié)構(gòu)的泄漏所涉因素眾多，要全面考慮各方因素將使研究過程過于復(fù)雜，本文將主要探究在常溫和液氮溫區(qū)低溫兩種條件下，螺栓預(yù)緊力、工作壓力與泄漏率之間的關(guān)系。

3.1 常溫下密封性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 法蘭-銦密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)密封性能測試裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system for flange-seal component-bolt structure

為便于比較，首先開展了在常溫條件下的泄漏率測試實(shí)驗(yàn)。在不同的預(yù)緊力下，通過改變工作壓力，測得法蘭銦絲密封結(jié)構(gòu)常溫下不同預(yù)緊力的工作壓力-泄漏率曲線(圖4)。需要特別說明的是，圖4中用星號表示的點(diǎn)表示該點(diǎn)泄漏率超出了氦質(zhì)譜檢漏儀量程的最大值9.8×10-6Pa·m3/s，表明系統(tǒng)內(nèi)已出現(xiàn)比較嚴(yán)重的泄漏。圖4右上角給出了預(yù)緊力為3 096 N時(shí)工作壓力-泄漏率曲線的局部放大圖。

圖4 常溫下不同預(yù)緊力的工作壓力-泄漏率曲線Fig.4 Dependence of leakage rate on working pressure with various pre-tightening forces at room temperature

由圖4可以看出，在常溫條件下，法蘭-銦密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)隨著工作壓力的不斷增大，泄漏率曲線存在著突然泄漏的點(diǎn)(即泄漏率從10-11Pa·m3/s突然增大至10-6Pa·m3/s)。泄漏率突然達(dá)到10-6Pa·m3/s時(shí)所對應(yīng)的工作壓力稱為該預(yù)緊力下的臨界壓力。當(dāng)工作壓力低于臨界壓力時(shí)，密封結(jié)構(gòu)密封性能良好，泄漏率均在10-11Pa·m3/s左右波動(dòng);而當(dāng)工作高于等于臨界壓力時(shí)，密封結(jié)構(gòu)的密封性能已變得很差，泄漏率大于10-6Pa·m3/s。

根據(jù)圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還可以給出泄漏的預(yù)緊力-臨界壓力關(guān)系圖(若密封結(jié)構(gòu)突然泄漏時(shí)所測得的泄漏率會超出質(zhì)譜儀量程，則取該超量程的點(diǎn)所對應(yīng)的工作壓力為臨界壓力)，如圖5所示。從該圖可以發(fā)現(xiàn)，臨界壓力隨著預(yù)緊力的增加而升高，并且兩者基本上呈較好的線性關(guān)系。

圖5 常溫下預(yù)緊力-臨界壓力變化關(guān)系圖Fig.5 Critical pressure and pre-tightening force relation at room temperature

3.2 低溫下密封性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在上述常溫測試的基礎(chǔ)上，同樣在不同預(yù)緊力下，通過改變工作壓力，開展了低溫下(-196℃)的泄漏率測試實(shí)驗(yàn)。圖6給出了法蘭-銦密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)在低溫下不同預(yù)緊力的工作壓力-泄漏率曲線。

圖6 低溫下不同預(yù)緊力的工作壓力-泄漏率曲線Fig.6 Dependence of leakage rate on working pressure with various pre-tightening forces at cryogenic temperature

低溫下的密封性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖6與常溫下的規(guī)律基本一致，也同樣存在著某一預(yù)緊力下的泄漏臨界壓力點(diǎn)。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作壓力為0—10 MPa，所以圖6的結(jié)果顯示，在1 548、2 322和3 096 N的預(yù)緊力下，當(dāng)工作壓力達(dá)到9.5 MPa左右時(shí)，密封結(jié)構(gòu)還沒有發(fā)生泄漏，這表示在這3個(gè)預(yù)緊力下，泄漏的臨界壓力均高于9.5 MPa。

同樣，作出低溫下泄漏的預(yù)緊力-臨界壓力關(guān)系圖，如圖7所示。為了便于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，臨界壓力高于9.5 MPa的也在圖7中標(biāo)出。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，臨界壓力低于9.5 MPa的點(diǎn)，與預(yù)緊力之間同樣存在著線性關(guān)系。若按照此線性關(guān)系推斷預(yù)緊力大于1 548 N的臨界壓力，則可發(fā)現(xiàn)臨界壓力的值超出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最大壓力10 MPa，也進(jìn)一步確定了所得實(shí)驗(yàn)規(guī)律的可靠性。

圖7 低溫下預(yù)緊力-臨界壓力變化關(guān)系圖Fig.7 Critical pressure and pre-tightening force relation at cryogenic temperature

3.3 常溫與低溫下實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

對比圖4和圖6可以發(fā)現(xiàn)，在常溫和低溫下該密封結(jié)構(gòu)的泄漏規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)泄漏率突然增加的情況。對比圖5和圖7還可發(fā)現(xiàn)，相同的預(yù)緊力下，低溫下的臨界壓力高于常溫下的值，這也間接說明本實(shí)驗(yàn)所采用的法蘭-銦密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)在低溫下的密封性能優(yōu)于常溫。這可能是由于當(dāng)溫度下降，法蘭密封結(jié)構(gòu)發(fā)生冷縮，孔隙減小，阻力加大，因此漏率減?。?］，具體原因還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

經(jīng)過對銦絲密封件在法蘭-密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)中的密封性能測試，探討了該密封結(jié)構(gòu)的螺栓預(yù)緊力、工作壓力及溫度等與泄漏率之間的關(guān)系，可以得到如下結(jié)論:

(1)不論是常溫還是低溫，法蘭-銦密封件-螺栓密封結(jié)構(gòu)的在某一預(yù)緊力下，隨著工作壓力的不斷增大存在著泄漏臨界壓力點(diǎn)。

(2)常溫和低溫下，臨界壓力與螺栓預(yù)緊力之間存在著較好的線性關(guān)系，這有助于我們根據(jù)具體工況估算出常溫和低溫下該結(jié)構(gòu)所需的螺栓最小預(yù)緊力。同樣可以針對更多的常用密封結(jié)構(gòu)，用本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測出多套數(shù)據(jù)，為工程應(yīng)用提供參考。

(3)相同的螺栓預(yù)緊力下，該結(jié)構(gòu)在低溫下的密封性能優(yōu)于常溫，這也驗(yàn)證了文獻(xiàn)中對銦密封件在低溫下良好密封性能的描述。

1 American Society of Mechanical Engineers.Boiler and pressure vessel code section VIII division I［C］，New York:American Society of Mechanical Engineers，2010.

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Experimental study on the performance of cryogenic seal structure with indium

Liu Shujuan Jin Tao Tang Ke Sha Long

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

In order to improve the safety and stability of the seal structure in engineering applications.The flange-seal component-bolt structure was designed and fabricated to study the performance of indium seal in 0—10 MPa and at-196 ℃.The dependences of leakage rate on the pre-tightening force of bolts，working pressure and temperature were discussed，according to experimental results.

cryogenic seal;indium wire;sealing performance

TB657，TB66

A

1000-6516(2013)01-0007-04

2012-12-04;

2013-01-31

劉姝娟，女，25歲，碩士研究生。