典型異型金屬密封的特點(diǎn)及應(yīng)用

廖傳軍 王道連 王洪銳 張 翼 滿 滿

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076)

典型異型金屬密封的特點(diǎn)及應(yīng)用

廖傳軍 王道連 王洪銳 張 翼 滿 滿

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076)

闡述了金屬密封的密封機(jī)理，指出其密封性能主要受密封結(jié)構(gòu)材料、密封表面質(zhì)量、密封面寬度、密封比壓以及密封表面鍍層等因素的影響。介紹了已在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的典型異型金屬密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料、鍍層及適用工況，包括金屬空心O形圈、金屬C形密封環(huán)、金屬E形密封環(huán)、金屬U形密封環(huán)、金屬W形密封環(huán)等。

金屬密封 密封機(jī)理 低溫 高溫 高壓

1 引言

新一代運(yùn)載火箭對(duì)密封材料及結(jié)構(gòu)提出了新的挑戰(zhàn)，如耐溫度范圍要求達(dá)到80—600 K，超低溫下密封漏率要求更低，而目前所使用的銦絲等密封很難同時(shí)滿足這些條件［1］。已在航空、航天、石油、核電等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的異型金屬密封，如金屬空心O形圈、金屬C形密封環(huán)、金屬E形密封環(huán)等，能適用于低溫、高溫、高壓、高真空、輻射、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及強(qiáng)腐蝕等惡劣工作條件，可用于其它密封形式難以滿足要求的場(chǎng)合。不同的金屬密封因結(jié)構(gòu)、成型工藝及表面技術(shù)等方面的差異，具有各自的特性及適用條件，本文主要介紹其典型型式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及適用工況。

2 密封機(jī)理及影響因素

2.1 密封機(jī)理

異型金屬密封的密封機(jī)理與金屬密封墊相似，密封圈預(yù)緊變形后產(chǎn)生較大回彈力，在接觸面上所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力使密封圈表面發(fā)生屈服，表面材料的塑性流動(dòng)填充了密封面上微觀的凹凸不平，從而消除接觸面之間的泄漏通道，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的密封要求。

金屬密封的微觀密封過(guò)程如圖1所示，接觸面上未施加載荷時(shí)，只有密封表面的微凸體發(fā)生接觸，接觸面之間存有大量的微觀泄漏通道，如圖1a所示;隨著載荷的增加，微凸體的接觸數(shù)量和變形程度均增加，接觸表面材料開始產(chǎn)生塑性變形并彼此嵌入;隨著載荷的進(jìn)一步增加，金屬密封的密封面產(chǎn)生明顯屈服，其材料的塑性流動(dòng)填充了接觸面之間的微觀縫隙，達(dá)到可以阻止介質(zhì)泄漏的程度，如圖1b所示［1］。

圖1 金屬密封微觀密封過(guò)程示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of microscopic sealing process of metal seal

2.2 密封性能的影響因素

金屬密封的密封性能主要受密封結(jié)構(gòu)材料性能、密封表面質(zhì)量、密封面寬度、密封比壓及密封面鍍層等因素的影響。

2.2.1 密封表面質(zhì)量

金屬密封件密封面的表面質(zhì)量與其粗糙度、刀痕形狀及不連續(xù)狀態(tài)等多種因素有關(guān)。表面粗糙度大，密封表面的塑性變形不足以填滿泄漏通道，從而引起密封介質(zhì)泄漏，因此，密封表面粗糙度需達(dá)到一定程度才能實(shí)現(xiàn)密封要求。對(duì)于機(jī)加成型的金屬密封，其密封表面的加工痕跡可能有單向、多向、徑向、周向等多種走向，其中圓周形刀痕有利于密封。如密封表面存在凹坑、刻痕及磨損等不連續(xù)狀態(tài)，必然引起密封介質(zhì)的泄漏，因此不允許其存在。

2.2.2 密封面寬度

密封面寬度越大，則流體泄漏所需通過(guò)的路徑越長(zhǎng)，流阻損失也越大，因而有利于密封。但在相同的壓緊力下，密封面寬度越大，則密封比壓將減小。因此，需要合理地選擇密封面寬度。

2.2.3 密封比壓

密封比壓的大小直接影響金屬密封件的密封可靠性，在外界條件相同的情況下，密封比壓過(guò)小則不足以提供足夠的接觸應(yīng)力，容易引起泄漏，密封比壓過(guò)大則會(huì)引起密封件損壞，因此需保證合適的密封比壓。

2.2.4 密封表面鍍層

為提高密封效果和耐腐蝕能力，一般在金屬密封面上電鍍或噴涂高延伸性的補(bǔ)償涂層材料，如銀、鋁、銅等。軟金屬層在密封面的微觀表面擠壓過(guò)程中更容易發(fā)生塑性變形并將密封面上的缺陷填平，不僅有利于改善密封性能，而且可減少基體結(jié)構(gòu)使用中的壓縮量，對(duì)提高金屬密封件的回彈性、使用壽命及抗應(yīng)力松弛能力等有著重要作用。

3 典型異型金屬密封的特點(diǎn)及應(yīng)用

3.1 金屬空心O形圈

金屬空心O形圈耐高溫、耐腐蝕、氣密性好，適用于低溫、高溫、高壓及高真空密封的場(chǎng)合，其工作溫度為-250—650℃，最高工作壓力已達(dá)280 MPa，最大的密封直徑為 6 000 mm［2］。

金屬空心O形圈的橫截面示意圖如圖2所示，有非自緊式、自緊式和充氣式3種結(jié)構(gòu)型式:非自緊式金屬空心O形圈一般用于操作壓力小于7.0 MPa的密封場(chǎng)合，可密封真空介質(zhì)及有腐蝕性的液體或氣體;自緊式空心O形圈的環(huán)管上鉆有若干小孔，由于管內(nèi)壓力與介質(zhì)的內(nèi)壓相同，所以具有自緊性能，適用于高壓及超高壓場(chǎng)合，一般可以用于操作溫度在200—600℃、操作壓力在7.0—280 MPa的工況。充氣式金屬空心O形圈的環(huán)管內(nèi)充有惰性氣體，工況條件下管內(nèi)壓力隨著溫度的上升而升高，極大的增加了其回彈力，高溫下管材強(qiáng)度的降低也得到有效補(bǔ)償，適用于高溫場(chǎng)合，一般使用溫度為 400—600 ℃［3］。

圖2 金屬空心O形圈的橫截面示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of cross-section for metal O-ring seal

通常根據(jù)操作介質(zhì)、壓力和溫度等條件選用金屬空心O形圈材料，不同溫度下金屬空心O形圈的常用材料如表1所示［4］，不同溫度下金屬空心O形圈的常用鍍層材料如表2所示［5］。

表1 不同溫度下金屬空心O形圈常用材料Table 1 Major materials of metal O-ring seal at different temperatures

表2 不同溫度下金屬空心O形圈的常用鍍層材料Table 2 Major materials of coating for metal O-ring seal at different temperatures

3.2 金屬C形密封環(huán)

金屬C形密封環(huán)也稱Helicoflex環(huán)，由彈性件和軟金屬包覆的套管組成，依靠彈性件獲得良好的回彈性和必要的密封比壓，依靠軟金屬包覆套管獲得良好的密封接觸表面，達(dá)到密封效果［6］。

金屬C形密封環(huán)的橫截面形狀如圖3所示，按開口朝向分為內(nèi)壓式和外壓式，開口朝向被密封介質(zhì)側(cè)為內(nèi)壓式，否則為外壓式。金屬C形密封環(huán)具有和開孔型金屬O形圈同樣的自緊作用，并且允許較大的變形，有重量輕、使用安全、拆裝方便等特點(diǎn)，其最高工作溫度為649℃，最高工作壓力已達(dá)60 MPa［6-8］。

圖3 金屬C形密封環(huán)的橫截面示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of cross-section for metal C-sealing ring

金屬C形密封環(huán)在法國(guó)核工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其90萬(wàn)千瓦、130萬(wàn)千瓦、150萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站以及法馬通在國(guó)外建造的核電站壓力容器鈞采用雙道金屬C形密封環(huán)密封，密封環(huán)內(nèi)芯采用InconelX-750合金螺旋彈簧，套管材料為Inconel-60l合金，包覆軟金屬銀層。另外環(huán)內(nèi)芯彈簧也可選用hlgiloy耐蝕游絲合金、套管材料也可選用InconelX-750，表層可以鍍金、鎳、鎘以及包覆鋁等［6］。

3.3 金屬E形密封環(huán)

金屬E形密封環(huán)的橫截面示意圖如圖4所示，可根據(jù)大位移補(bǔ)償量及耐受高壓的需要設(shè)計(jì)成多波及多層的結(jié)構(gòu)。金屬E形密封環(huán)同樣具有自密封性能，在密封緊固件松動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)氣體壓力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)密封補(bǔ)償，但其能承受的壓縮載荷比較小，因此泄漏量高于金屬C形密封環(huán)，而且通過(guò)電鍍和涂層的方法并不能降低泄漏量，只能減小運(yùn)行過(guò)程中材料的磨損［9］。

圖4 金屬E形密封環(huán)的橫截面示意圖Fig.4 Diagrammatic sketch of cross-section for metal E-sealing ring

金屬E形密封環(huán)主要用于高壓振動(dòng)及大體積腔室形變補(bǔ)償，如氣體渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)架密封、燃料噴嘴密封等［9-10］。

3.4 金屬U形密封環(huán)

金屬U形密封環(huán)的橫截面示意圖如圖5所示，一般由兩層金屬材料組成，其末端卷曲部分的上端為密封面，使用時(shí)卷曲部分的背側(cè)在高壓側(cè)、開口側(cè)在低壓側(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整金屬U形密封環(huán)每層材料的類型、厚度、徑向尺寸，以及材料層數(shù)、表面軟金屬鍍層材料等，以適應(yīng)不同的使用要求。

圖5 金屬U形密封環(huán)的橫截面示意圖Fig.5 Diagrammatic sketch of the cross-section of the metal U-sealing ring

金屬U形密封環(huán)主要有以下特點(diǎn):其彈簧剛度較小且允許較大的彈性變形，因此具有較大的變形范圍;所儲(chǔ)存的應(yīng)變能較大，可較好地適應(yīng)法蘭變形、偏斜以及較大的局部變形，如分別用于管路通徑φ1.5、φ3.5的金屬U形密封環(huán)，法蘭的周向不平整度允許高達(dá)每線性英寸0.011、0.018;所需的壓縮力較小，有著較好的抗疲勞松弛能力，已有金屬U形密封環(huán)經(jīng)過(guò)了20萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)考核。金屬U形密封環(huán)的常用材料有 Inconel718、Waspaloy、Haynes214、Haynes188、Haynes242、Rene41、Incoloy909 以及其它適用的高溫合金［11］。

3.5 金屬W形密封環(huán)

金屬W形密封環(huán)是一種軸向自緊式靜密封元件，具有回彈性能好、吸振能力強(qiáng)及變形范圍大等特點(diǎn)，其橫截面示意圖如圖6所示，現(xiàn)主要用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等密封場(chǎng)合，如采用鎳基高溫合金材料GH4169，其工作溫度可達(dá)600℃以上，表面可鍍金、銀、聚四氟乙烯等。

3.6 其它異型金屬密封

多種異型金屬密封應(yīng)用于液體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)，其中用于軸向密封和徑向密封的金屬密封件的橫截面形狀、材料、適用工況及鍍層材料等分別如表3和表4所示，表中Ds表示密封件外徑。

表3 用于軸向密封的金屬密封Table 3 Metal seals applied for axial seal

表4 用于徑向密封的金屬密封Table 4 Metal seals applied for radial seal

4 結(jié)論

異型金屬密封因其較強(qiáng)的耐低溫、高溫、高壓及強(qiáng)腐蝕等特性，而廣泛應(yīng)用于航空、航天、核工業(yè)等極端工況的密封場(chǎng)合。不同結(jié)構(gòu)、成型工藝及表面鍍層技術(shù)的金屬密封有著不同特點(diǎn)，在其產(chǎn)品選用時(shí)應(yīng)充分考慮工況條件、介質(zhì)特性、動(dòng)載載荷、溫循狀態(tài)，以及漏率、壽命和材料匹配要求等。

中國(guó)金屬密封的研制起步較晚、產(chǎn)品種類較少、生產(chǎn)工藝相對(duì)薄弱，國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)所使用的高參數(shù)金屬密封主要依賴進(jìn)口，因此，需加快異型金屬密封的研制進(jìn)度及產(chǎn)品化。

1 陳風(fēng)波，王立峰.運(yùn)載火箭用典型低溫密封材料［J］.宇航材料工藝，2009(3):12-15.Chen Fengbo，Wang Lifeng.Type of low temperature sealing material and application in rockets［J］.Aerospace Materials＆Technology，2009(3):12-15.

2 崔曉杰.金屬密封技術(shù)的研究進(jìn)展及密封機(jī)理分析［J］.石油機(jī)械，2011，39(增刊):102-108.Cui Xiaojie.Research progress and analysis of sealing mechanism about metallic sealing technology［J］.China Petroleum Machinery，2011，39(supplement):102-108.

3 張健.金屬空心O形圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.石油化工設(shè)備，2005，34(1):32-34.Zhang Jian.Sealing structure design of hollow metal O-ring［J］.Petro-chemical Equipment，2005，34(1):32-34.

4 付平，常德功.密封設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011:237-238.Fu Ping，Chang Degong.Manuals of seal design［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2011:237-238.

5 廣廷洪.密封件使用手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988:167-169.Guang Tinghong.Instruction manual of seal components［M］.Beijing:China Machine Press，1988:167-169.

6 丁伯民，黃正林.化工設(shè)備設(shè)計(jì)全書—高壓容器分冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002:243-245.Ding Bomin，Huang Zhenglin.The design of the chemical equipmenthigh pressure vessel［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2002:243-245.

7 左國(guó)，郝守信，尹小龍.先進(jìn)壓水堆“C”形環(huán)研究［J］.動(dòng)力工程，2002，23(2):107-112.Zuo Guo，Hao Shouxin，Yin Xiaolong.Study of C-ring applied to advanced pressurized water reactor［J］.Nuclear Power Engineering，2002，23(2):107-112.

8 Michael T，Duignan，David J，et al.Metal C ring window seal［J］.Review of Scientific Instruments，1989，60(11):3537-3539.

9 Andreas A P.A model for the static sealing performance of compliant metallic gas seals including surface roughness and rarefaction effects［J］.Tribology Thansactions，2000，43:237-244.

10 張文良，王雪，劉繼文，等.彈性金屬密封技術(shù)［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2009(3):4-7.Zhang Wenliang，Wang Xue，Liu Jiwen，et al.Elastic metal seal technology［J］.Hydraulics Pneumatics＆Seals，2009(3):4-7.

11 Chambers A.Metallic E-seals help maintain combustor performance［J］.Power Engineering，1996，100(5):48.

12 Terence N，Jeff S，Jeff L.Advanced metal seals for high temperature applications［C］.32ndAIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference，Lake Buena Vista.F，1996，July 1-3.

13 龔雪婷.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用W形金屬密封環(huán)特性研究［D］.北京:北京化工大學(xué)，2011:16-20.

Gong Xueting.Study on the characteristics of metallic seal ring of W type applied to aero engine［D］.Beijing:Beijing University of Chemical Technology，2011:16-20.

14 Gromyko B M.Metal seals for detachable joints of superpower liquidpropellant engines［J］.Metal Science and Heat Treatment，2003，45(5):

199-204.

Features and applications of typical non-conventional type metal seals

Liao Chuanjun Wang Daolian Wang HongruiZhang YiMan Man

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076，China)

The sealing mechanism of the metal seal was represented，the key factors that influence the sealing performance of the metal seal were described，including the structural material，quality of sealing surface，breadth of sealing surface，sealing pressure and coating of sealing surface.The characteristics of some typical non-conventional type metal seals were introduced，such as design feature，material，coating and applied working conditions which were used widely in industries.The metal O-ring seal，metal C-sealing ring，metal E-sealing ring，metal U-sealing ring and metal W-sealing ring etc were represented mainly.

metal seal;sealing mechanism;low temperature;high temperature;high pressure

TB657、TB66

A

1000-6516(2014)04-0055-06

2013-12-20;

2014-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305040)。

廖傳軍，男，35歲，博士、工程師。