大型結(jié)構(gòu)件刀口及惠勒密封重復(fù)密封性能研究*

王 群 劉 梅 朱建平

(1.中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所 四川綿陽 621999;2.四川龍?zhí)炀た萍加邢薰?四川綿陽 621022)

對于高真空度內(nèi)環(huán)境的大型裝置，其真空度除受限于技術(shù)條件外，出廠后的運(yùn)輸及現(xiàn)場的裝調(diào)也會極大地影響整個裝置的總泄漏率。運(yùn)輸過程的顛簸及溫度變化可能會造成真空度低于標(biāo)準(zhǔn)要求[1]，因此在現(xiàn)場的裝調(diào)過程中會進(jìn)行二次真空密封及檢測。由于大型真空系統(tǒng)的容積大,所需持續(xù)施氦并監(jiān)測的時間往往很長[2]。因此裝置一旦發(fā)生泄漏，將會給裝置的使用或安裝調(diào)試過程造成巨大的影響。刀口密封[3]作為常用的密封方式被大量采用在某實(shí)驗(yàn)裝置上,但現(xiàn)場的裝調(diào)發(fā)現(xiàn)部分密封結(jié)構(gòu)在二次抽真空時無法實(shí)現(xiàn)有效密封，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)其刀口經(jīng)過運(yùn)輸后發(fā)生了塑性變形或結(jié)構(gòu)破損。結(jié)合裝置的密封結(jié)構(gòu)和刀口密封的方式，梳理發(fā)現(xiàn)了以下幾個問題：(1)實(shí)現(xiàn)有效密封的螺釘預(yù)緊力范圍較窄，螺釘預(yù)緊力偏小無法有效密封，而預(yù)緊力太大會破壞刀口，無法實(shí)現(xiàn)二次密封；(2)螺釘?shù)念A(yù)緊力受刀口半徑等因素的影響明顯，一致性差[4]；(3)擰緊螺釘時刀口處的應(yīng)力集中比較明顯，容易發(fā)生塑性變形，并且密封面在運(yùn)輸與安裝過程中容易因磕碰或摩擦使表面粗糙度增加而使密封性能下降[5]。

惠勒密封將端面處加工得到的20°錐面作為密封面，采用球面金屬墊，形成球面與錐面之間的線接觸密封，能夠自動適應(yīng)上下法蘭安裝預(yù)緊過程中的偏移誤差，自位性好，并且線接觸處可得到較高密封比壓，密封可靠。采用此種密封結(jié)構(gòu)的真空系統(tǒng)，經(jīng)過高溫烘烤后，可以得到極高的系統(tǒng)真空度。為探討惠勒密封在大型結(jié)構(gòu)件密封上應(yīng)用的可行性，本文作者采用試驗(yàn)研究及有限元分析的方法比較惠勒密封和刀口密封在工程實(shí)際應(yīng)用中的差異。試驗(yàn)首先通過儀器測試確定了2種密封方式的最佳螺栓預(yù)緊力，然后按照實(shí)際密封結(jié)構(gòu)分別對2種密封方式的首次及二次真空密封性能進(jìn)行了檢測，并通過有限元方法分析其接觸面的應(yīng)力和應(yīng)變，為惠勒密封的應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)研究

1.1 刀口及惠勒密封方式

刀口密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，法蘭頂部預(yù)留有與氦質(zhì)譜檢漏儀相連的接口，密封墊材料為無氧銅[6]，厚度2 mm，刀口半徑0.2 mm。法蘭邊緣均勻分布20顆M8的螺釘壓緊密封結(jié)構(gòu)。

圖1 刀口密封結(jié)構(gòu)

惠勒密封同樣使用無氧銅為密封圈材料，不過墊圈為O形圈，截面直徑為2 mm。壓緊后墊圈產(chǎn)生塑性變形擠滿左側(cè)空間，多余部分從右側(cè)擠出，從而形成可靠密封[7]。為了保證試驗(yàn)的可信度，控制無關(guān)變量，惠勒密封的法蘭結(jié)構(gòu)尺寸與圖1中刀口密封完全一致，如圖2所示。

圖 2 惠勒密封結(jié)構(gòu)

1.2 螺釘擰緊力矩測量

螺釘?shù)臄Q緊力矩對密封性能有很大的影響[8]，在重復(fù)密封試驗(yàn)開始前，為了確定2種密封方式合適的螺釘擰緊力矩，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)過程如圖3所示。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)定一遠(yuǎn)小于實(shí)際擰緊力矩的初始力矩M0，文中試驗(yàn)設(shè)置為10 N·m。在開始階段，真空漏率遠(yuǎn)超檢漏儀精度，此時檢測會損壞真空檢漏儀，因此只能通過經(jīng)驗(yàn)來判斷是否有效密封。當(dāng)不能通過經(jīng)驗(yàn)判斷是否有效密封時，使用儀器檢測漏率。試驗(yàn)每次增加1 N·m力矩，直至達(dá)到有效密封，記錄扭矩值；更換墊片后繼續(xù)增加擰緊力矩，直至密封結(jié)構(gòu)發(fā)生變形而不能實(shí)現(xiàn)有效密封，記錄扭矩值，測試結(jié)束。試驗(yàn)時對每種密封方式進(jìn)行3次測試來保證正確性[9]。

圖3 確定有效密封螺釘預(yù)緊力矩范圍試驗(yàn)流程

如表1所示，刀口密封的初始有效密封所需的螺釘擰緊力矩略高于惠勒密封?；堇彰芊獾穆葆敂Q緊力矩最大值為40 N·m，這是根據(jù)螺釘?shù)膹?qiáng)度設(shè)計(jì)的測試上限值。在測試中，惠勒密封在20～40 N·m擰緊力矩范圍內(nèi)始終能實(shí)現(xiàn)有效密封，直至達(dá)到螺釘?shù)淖畲髷Q緊力矩；而刀口密封僅在21～24 N·m擰緊力矩范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)有效密封。

表1 兩種密封方式的螺釘有效預(yù)緊力矩范圍 單位：N·m

1.3 重復(fù)密封試驗(yàn)

根據(jù)表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取22、24 N·m分別作為刀口密封和惠勒密封的螺釘擰緊力矩,在裝配過程中使用恒扭矩扳手?jǐn)Q緊螺釘，經(jīng)檢漏儀測量記錄結(jié)果后，更換密封墊進(jìn)行二次測量。刀口密封還需在更換密封墊前檢查修理刀口，而惠勒密封不需做額外的處理。圖4、5示出了2種密封墊圈的壓痕。表2、3示出了2種密封重復(fù)密封試驗(yàn)結(jié)果。

圖4 刀口密封銅密封墊壓痕

圖5 惠勒密封銅密封墊壓痕

表2 刀口密封重復(fù)密封試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明一般情況下，刀口密封及惠勒密封均能實(shí)現(xiàn)首次有效密封及重復(fù)密封。為了模擬密封結(jié)構(gòu)的損壞，用美工刀對惠勒密封方式的密封圈或接觸面劃出較淺的劃痕，如表3中試驗(yàn)5、8。可見，當(dāng)墊圈或接觸面出現(xiàn)破損時，惠勒密封僅需通過增加擰緊力矩的方式便可實(shí)現(xiàn)重復(fù)密封，而刀口密封則必須修理刀口或更換墊圈才能實(shí)現(xiàn)有效密封?？梢娀堇彰芊饨Y(jié)構(gòu)具有更高的可靠性。

表3 惠勒密封重復(fù)密封試驗(yàn)結(jié)果

惠勒密封試驗(yàn)過程中有一次因密封圈未壓平而導(dǎo)致無法有效密封，如圖6所示。為了避免這種情況的再次發(fā)生，可加大下法蘭導(dǎo)向槽的倒角及增加導(dǎo)向長度[10-11]。

圖 6 未壓平密封圈形狀

2 數(shù)值分析

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，采用二維軸對稱模型代替三維模型來減少計(jì)算量并保證計(jì)算精度[12]如圖7、圖8所示。

圖 7 刀口密封二維軸對稱模型

圖8 惠勒密封二維軸對稱模型

由于密封面相對于整個密封結(jié)構(gòu)來說尺寸較小，模型進(jìn)一步簡化為如圖9、圖10所示。

圖9 刀口密封面有限元模型

圖10 惠勒密封有限元模型

M8螺釘?shù)臄Q緊力與軸向預(yù)緊力的比例關(guān)系確定為1∶657.5 N，即20顆螺釘在擰緊力矩為1 N時，產(chǎn)生的預(yù)緊力為13.15 kN。因此有限元分析時的軸向預(yù)緊力根據(jù)試驗(yàn)確定的擰緊力矩計(jì)算可得出。密封結(jié)構(gòu)的接觸類型設(shè)置為frictional，摩擦因數(shù)為0.15[13]。表4給出了材料的基本屬性。

表4 材料基本性能

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

刀口密封采用的螺釘擰緊力矩為22 N·m，總的螺釘預(yù)緊力為289.3 kN，施加到刀口密封的有限元模型上，計(jì)算得到刀口密封結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形如圖11、12、13所示。

圖11 刀口密封應(yīng)力及應(yīng)變整體分析

可見，擰緊力矩22 N·m下，刀口密封面的最大變形0.152 mm，刀口的最大應(yīng)力189.7 MPa，密封墊的最大應(yīng)力94.77 MPa。

圖12 刀口密封銅墊應(yīng)力及應(yīng)變分析

圖13 刀口密封刀口應(yīng)力及應(yīng)變分析

惠勒密封采用的螺釘擰緊力矩為24 N·m，總的螺釘預(yù)緊力為315.6 kN，施加到惠勒密封的有限元模型上，計(jì)算得到惠勒密封結(jié)構(gòu)、銅圈及法蘭的應(yīng)力和變形分別如圖14、15、16所示。

圖14 惠勒密封結(jié)構(gòu)應(yīng)力及應(yīng)變整體分析

可見，24 N·m擰緊力矩下，惠勒密封密封圈的最大變形為0.145 mm，刀口面的最大應(yīng)力為76.97 MPa，密封圈的最大應(yīng)力為96.01 MPa。

圖15 惠勒密封結(jié)構(gòu)銅圈應(yīng)力及應(yīng)變分析

圖16 惠勒密封結(jié)構(gòu)法蘭應(yīng)力及應(yīng)變分析

刀口密封結(jié)構(gòu)中刀口的最大應(yīng)力(189.7 MPa)大于密封墊的最大應(yīng)力(94.77 MPa)，十分接近刀口材料(不銹鋼)的屈服極限(207 MPa)，繼續(xù)增加螺釘預(yù)緊力會導(dǎo)致刀口發(fā)生屈服，影響重復(fù)密封；而惠勒密封結(jié)構(gòu)法蘭面的最大應(yīng)力(76.97 MPa)小于密封圈的最大應(yīng)力(96.01 MPa)，遠(yuǎn)未達(dá)到其屈服極限(207 MPa)，密封圈已發(fā)生塑性變形，繼續(xù)增加螺釘預(yù)緊力刀口面與密封圈的接觸面進(jìn)一步增加，使得法蘭面的應(yīng)力增加緩慢，不易發(fā)生屈服[15]。

因此在裝配過程中刀口容易發(fā)生破壞，必須嚴(yán)格控制螺釘擰緊力矩的范圍；而惠勒密封的法蘭面不會因?yàn)槁葆旑A(yù)緊力過大而破壞，且在法蘭面或密封圈存在小的缺陷的情況下可以在不超過螺釘強(qiáng)度的前提下繼續(xù)加大螺釘?shù)念A(yù)緊力，增加密封圈的變形封閉這些小的缺陷[16]，實(shí)現(xiàn)有效密封效果。

3 結(jié)論

(1)通過實(shí)驗(yàn)確定刀口密封和惠勒密封能實(shí)現(xiàn)重復(fù)有效密封的螺釘擰緊力矩范圍，結(jié)果表明，刀口密封的初始有效密封所需的螺釘擰緊力矩略高于惠勒密封，但惠勒密封的有效密封螺釘預(yù)緊力矩范圍更大。

(2)通過重復(fù)密封實(shí)驗(yàn)對2種密封結(jié)構(gòu)的重復(fù)性進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)刀口密封結(jié)構(gòu)容易受到刀口或密封墊缺陷、刀口塑性變形等因素的影響而不能實(shí)現(xiàn)有效密封，而惠勒密封結(jié)構(gòu)可以通過適當(dāng)加大螺釘擰緊力矩從而增加密封圈的變形量來封閉法蘭面或密封圈的小缺陷，實(shí)現(xiàn)有效密封，具有更高的可靠性。

(3)對2種密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，從受力狀態(tài)上分析刀口密封實(shí)現(xiàn)有效密封的螺釘擰緊力矩范圍較小，而惠勒密封結(jié)構(gòu)能在較大的螺釘擰緊力矩范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效密封且密封結(jié)構(gòu)不易發(fā)生失效的原因。