真空封口接頭環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)研究

曹 嶺，唐 強(qiáng)，黃玲艷，劉忠明，王鵬飛

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

真空封口接頭環(huán)境適應(yīng)性改進(jìn)研究

曹 嶺，唐 強(qiáng)，黃玲艷，劉忠明，王鵬飛

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

真空封口接頭是連接低溫設(shè)備真空腔與抽真空設(shè)備之間的接頭，其可靠性直接影響抽真空效果，以及真空腔內(nèi)的漏放速率、真空壽命等指標(biāo)，目前的真空封口接頭采用兩道密封，封口罩釬焊到管路上，密封性能在一些環(huán)境溫度極低的地區(qū)可靠性不高，并且使用不方便。通過(guò)對(duì)原真空封口接頭進(jìn)行優(yōu)化分析、可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，提高了單機(jī)設(shè)備的真空使用壽命，同時(shí)為低溫加注設(shè)備的安全性和可靠性提供了保障。

低溫；封口接頭；可靠性

0 引言

目前低溫液體的使用已經(jīng)進(jìn)入了各行各業(yè)，從科學(xué)研究到國(guó)防工業(yè)直至民用企業(yè)對(duì)低溫液體的需求量越來(lái)越大[1-2]。對(duì)于通常的低溫液體輸送系統(tǒng)、管路和設(shè)備絕熱的主要目的是減少介質(zhì)損耗，因而對(duì)絕熱性能沒(méi)有嚴(yán)格、定量的要求。運(yùn)載火箭的低溫推進(jìn)劑加注系統(tǒng)則不同，其對(duì)管路的絕熱性能有較嚴(yán)格的要求，整個(gè)加注管路的漏熱量要控制在一定的量值范圍內(nèi)[3]。為了減少液氫、液氧、液氮等低溫介質(zhì)的貯存及輸送過(guò)程中的溫升，低溫設(shè)備采用真空絕熱形式進(jìn)行低溫介質(zhì)的貯存與遠(yuǎn)距離輸送。真空封口接頭作為連接低溫設(shè)備真空腔與抽真空設(shè)備之間的接頭，其密封性能直接影響抽真空效果，以及真空腔內(nèi)的漏放速率、真空壽命等關(guān)鍵指標(biāo)[4]。

目前的真空封口接頭采用兩道密封，封口罩釬焊到管路上，在低溫環(huán)境下的密封性能低，且使用不方便。為了提高真空封口接頭的環(huán)境適應(yīng)性和使用可靠性，對(duì)現(xiàn)有真空封口接頭進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，主要包括更改密封方式和材料、增加壓緊環(huán)和泄壓孔等內(nèi)容，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)后真空封口接頭進(jìn)行了密封性能驗(yàn)證。結(jié)果表明更改后的封口接頭結(jié)構(gòu)緊湊、密封性能好，產(chǎn)品化易于實(shí)現(xiàn)，并能起到安全泄壓作用。

1 真空封口接頭工作原理

真空封口接頭應(yīng)用于低溫真空設(shè)備（管路、閥門(mén)、中小型低溫容器）上，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。主要由封口塞、封口座、O形密封圈、封口罩等四部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，操作方便，抽真空時(shí)拔出封口塞開(kāi)始抽真空，真空度達(dá)到要求值后，封口塞重新推回封口座內(nèi)，并涂抹低溫脂，然后將封口罩套在外部旋緊。其中O形密封圈的作用主要是防止外界氣體進(jìn)入真空腔而導(dǎo)致真空度破環(huán)，O形密封圈的材料、規(guī)格以及密封型式對(duì)真空封口接頭的密封性能有著非常重要的影響，因此O形密封圈的合理選擇是低溫設(shè)備真空度的重要保障。

圖1 改進(jìn)前的真空封口接頭示意圖Fig.1 Before the vacuum sealing joint improvement

2 真空封口接頭可靠性改進(jìn)方案

2.1 采用三級(jí)密封

改進(jìn)前的真空封口接頭采用兩道密封，密封性能較差，改進(jìn)后在原有真空封口接頭上增加一道O形密封圈B。真空封口接頭實(shí)際使用過(guò)程中，封口座焊接到低溫真空設(shè)備的開(kāi)孔處，利用抽真空用工裝與封口塞上螺紋連接，拔出封口塞開(kāi)始抽真空，真空度達(dá)到要求值后，封口塞重新推回封口座內(nèi)，三道O形密封圈依次安裝在圖2的封口塞中的密封圈槽內(nèi)，同時(shí)在封口塞和封口座結(jié)合縫隙處涂抹真空密封脂，能夠有效起到密封作用，防止空氣進(jìn)入真空腔。

2.2 O形密封圈材料改進(jìn)

原真空封口接頭使用的O形密封圈材料為氟橡膠，其使用環(huán)境溫度范圍為-20～70℃，新增的O形密封圈材料為硅橡膠[5]，使用環(huán)境溫度范圍為-50～70℃，消除了原有真空封口接頭在極端低溫（-39℃）下可能發(fā)生O形密封圈失效而造成管路真空腔真空度被破壞的重大隱患。通過(guò)材料改進(jìn)擴(kuò)大了真空封口接頭的使用環(huán)境溫度范圍，提高其環(huán)境適應(yīng)性。

圖2 改進(jìn)后的真空封口接頭示意圖Fig.2 After the vacuum sealing joint improvement

2.3 增加壓緊環(huán)并設(shè)置泄壓孔

在真空封口接頭操作過(guò)程中，使用壓緊環(huán)壓緊O形密封圈B，可有效防止其脫落并保證其良好的密封性能。另一方面，在壓緊環(huán)上設(shè)置泄壓孔可使真空封口接頭具有安全泄壓的作用，一旦低溫真空設(shè)備發(fā)生泄漏，造成真空腔內(nèi)壓力升高，當(dāng)壓力升高至設(shè)定壓力，真空封口接頭中封口塞會(huì)在壓力作用下彈出，圖3為真空封口接頭的開(kāi)啟狀態(tài)，圖中顯示了氣體泄出的通道，以及封口塞開(kāi)啟時(shí)的位置。通過(guò)設(shè)置帶有泄壓孔的壓緊環(huán)，不僅保證了真空封口接頭良好的密封性能，同時(shí)也提高了產(chǎn)品的可靠性和低溫加注系統(tǒng)的安全性。

圖3 真空封口接頭開(kāi)啟狀態(tài)圖Fig.3 The open vacuum sealing joint

表1介紹了真空封口接頭改進(jìn)前后的工藝性能對(duì)比。通過(guò)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了真空封口接頭在低溫下的環(huán)境適應(yīng)性，消除了封口塞和封口座之間密封不良的可能性，且增加了安全泄壓的作用，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。

表1 真空封口接頭改進(jìn)前后的工藝性能對(duì)比Table1 Analyzing the performance before and after the improvement of vacuum sealing joint

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)后的真空封口接頭的工作性能，對(duì)改進(jìn)前后的真空封口接頭開(kāi)展了多次低溫環(huán)境下真空密封性能試驗(yàn)。測(cè)試了改進(jìn)前真空封口接頭在低溫環(huán)境下的密封性能，并分析了其使用所存在的風(fēng)險(xiǎn)以及改進(jìn)后的實(shí)際使用效果。

試驗(yàn)裝置包括被測(cè)真空封口接頭（被測(cè)件1、被測(cè)件2）、工裝管段、堵蓋、真空度測(cè)量裝置、高低溫箱等組成，試驗(yàn)工裝系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)工裝系統(tǒng)圖Fig.4 The vacuum sealing joint testing system

將被測(cè)真空封口接頭裝配好并焊接至工裝試驗(yàn)管段，工裝整體焊接后進(jìn)行焊縫檢測(cè)和漏氣速率檢測(cè)[6]，檢漏合格后進(jìn)行管路抽真空。將試驗(yàn)工裝系統(tǒng)放入高低溫箱，連接好真空計(jì)測(cè)量裝置，記錄高低溫箱溫度的被測(cè)件的真空度值。逐漸降低高低溫箱的溫度并保持一定時(shí)間，記錄被測(cè)件的真空度變化。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖5為試驗(yàn)過(guò)程中高低溫箱溫度隨時(shí)間的變化曲線。表2為改進(jìn)前的真空封口接頭真空度隨溫度的變化情況，試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間270 min?？梢钥闯?，當(dāng)高低溫箱溫度降至-35℃時(shí)，被測(cè)件1真空度B開(kāi)始增加，由2.4 Pa增加至2.6 Pa，并隨時(shí)間的變化呈逐漸增加趨勢(shì)，試驗(yàn)270 min時(shí)，真空度上升至97 Pa；當(dāng)高低溫箱溫度降至-35℃時(shí)，被測(cè)件2真空度G開(kāi)始增加，由5.4 Pa增加至5.5 Pa，并且隨時(shí)間的變化呈逐漸增加趨勢(shì)，試驗(yàn)270 min時(shí)，真空度上升至43 Pa。說(shuō)明現(xiàn)用真空封口接頭所使用的氟橡膠O形密封圈在-40℃環(huán)境溫度下無(wú)法滿足真空密封要求。

圖5 高低溫箱溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.5 The curves of temperature variation with time in highlow temperature chamber

表2 改進(jìn)前真空封口接頭真空度隨溫度的變化Table2 The records of vacuum degree variation with temperature before improvement

圖6為試驗(yàn)過(guò)程中高低溫箱溫度隨時(shí)間的變化曲線。表3為改進(jìn)后的真空封口接頭真空度隨溫度的變化情況，試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間1 510 min?？梢钥闯?，當(dāng)高低溫箱溫度降至-40℃并保持720 min時(shí)，被測(cè)件1和被測(cè)件2真空度有所增加，但變化不大，當(dāng)高低溫箱溫度進(jìn)一步降至-50℃并保持720 min時(shí)，被測(cè)件1和被測(cè)件2真空度沒(méi)有明顯上升，說(shuō)明改進(jìn)后的真空封口接頭在不低于-50℃低溫環(huán)境下滿足真空密封要求。

表3 改進(jìn)后真空封口接頭真空度隨溫度的變化Table 3 The records of vacuum degree variation with temperature after improvement

圖6 高低溫箱溫度隨時(shí)間的變化曲線Fig.6 The curves of temperature variation with time in highlow temperature chamber

4 結(jié)論

真空封口接頭可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了充分分析及試驗(yàn)考核，結(jié)果表明改進(jìn)后的產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足使用要求。真空封口接頭在真空管路、閥門(mén)等設(shè)備的研制中得到了應(yīng)用，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。通過(guò)真空封口接頭的可靠性改進(jìn)設(shè)計(jì)工作，使低溫加注設(shè)備如真空管路、閥門(mén)等的整體性能和安全性、可靠性有了較大提高，為地面發(fā)射支持系統(tǒng)的可靠性提供了根本保證和基本需求。

[1]畢龍生.低溫容器應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展前景（三）[J].真空與低溫，2000，6（1）:1-7.

[2]汪榮順.抗強(qiáng)沖擊低溫儲(chǔ)罐研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2001.

[3]何家聲.液氫管路絕熱設(shè)計(jì)與效果分析[J].低溫工程，2005（1）:17-18.

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[5]陳國(guó)邦.低溫工程材料[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，1998.

[6]吳浩.真空絕熱低溫管漏放氣速率的檢測(cè)[J].測(cè)量與檢測(cè)技術(shù)，2016，43（s1）：90-92.

ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF VACUUM SEALING JOINT FOR ENVIRONMENTAL ADAPTABILITY

CAO Ling，TANG Qiang，HUANG Ling-yan，LIU Zhong-ming，WANG Peng-fei（Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076，China）

The vacuum sealing joint is a kind of equipment which connects the cryogenic and vacuum equipment and vacuum extractor，its reliability directly affects the vacuum result，leak rate and vacuum life length.The present vacuum sealing joint use double seal and the sealing cap is brazed to the vacuum tube，so its tightness has low reliability and service performance.This paper presents a new kind of vacuum sealing joint by optimum analysis，improvement design and confirmatory test，the adaptive design is not only improving the vacuum life length but also supplying the security of the cryogenic liquid fueling system.

cryogenic；sealing joint；reliability

V245.3

A

1006-7086（2017）06-0355-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.06.009

2017-07-07

曹嶺（1984-），男，北京人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事低溫設(shè)備的研究。E-mail：278653651@qq.com。