一種高壓力密封連接器的設(shè)計

楊俊釗，曹俊俊

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010 )

1 概述

隨著石油、勘探和海洋等產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對壓力密封連接器的需求，特別是高壓力、高可靠、高密封、高絕緣連接器等器件的需求也在不斷增加。壓力密封連接器是石油、勘探和深海作業(yè)中連接各類測試儀器、儀表等裝備、設(shè)備的專用器件，是這些器件的關(guān)鍵部件。近年我所為某單位配套研制的一種高壓力密封連接器，從設(shè)計、工藝和質(zhì)量控制等多方面著手，經(jīng)過艱苦的努力，解決了關(guān)鍵技術(shù)難點，很好地滿足了該項目高壓力、高可靠、高密封等技術(shù)性能要求，而且制造成本遠低于國外，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。本文闡述了一種壓力密封連接器的主要設(shè)計過程。

2 主要技術(shù)指標要求及外形

該壓力密封連接器為方形，由殼體、引出端和絕緣體組成，其外形見圖1。

圖1 壓力密封連接器外形

該壓力密封連接器主要技術(shù)指標：

外形尺寸mm：56×56×56；

氣密性：≤1×10-3Pa·cm3/s，在1300KPa下；

絕緣電阻：≥10000MΩ，500V；

介質(zhì)耐電壓：2000VDC，0.5mA；

耐氣壓力：13600KPa；

環(huán)境溫度：-55℃～+125℃。

3 設(shè)計

3.1 壓力密封連接器材料設(shè)計選用

壓力密封連接器通常采用燒結(jié)工藝形式完成，燒結(jié)一般分為匹配封接和非匹配封接。非匹配封接主要是壓縮封接。要達到該產(chǎn)品的技術(shù)指標，可以采用壓縮封接，但該產(chǎn)品的殼體較大，封接部位也厚，燒結(jié)后容易造成應(yīng)力，在受到外力作用或環(huán)境溫度突變時，容易產(chǎn)生破裂，降低產(chǎn)品的密封和電性能。因此，該壓力密封連接器適宜采用匹配封接，選用的殼體、引出端材料和玻璃材料的膨脹系數(shù)在300℃以下應(yīng)接近。金屬材料的狀態(tài)還要適合機械加工。玻璃的性能要求耐環(huán)境適應(yīng)性強，電性能優(yōu)良，與金屬材料的浸潤好，封接的溫度和底座能夠一致。根據(jù)技術(shù)指標要求、應(yīng)用環(huán)境和成本方面考慮，該壓力密封連接器的殼體材料選用專用封接的低碳鋼材料。引出端采用與玻璃和低碳鋼相匹配的鐵鎳合金4J50，玻璃主要性能參數(shù)見表1，低碳鋼化學成分見表2。

表1 玻璃性能

表2 低碳鋼化學成分

經(jīng)過初樣、正樣和鑒定批試驗驗證，所選用的封接材料性能優(yōu)良，可以滿足產(chǎn)品的性能要求。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計主要從三個方面考慮，一是器件產(chǎn)品的封裝性優(yōu)良；二是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)能滿足承受各種環(huán)境條件的要求；三是加工的工藝性優(yōu)良，適合于規(guī)模生產(chǎn)。

3.2.1 殼體封接部位設(shè)計

殼體是壓力密封連接器的主要部分，不僅承載著壓力器件內(nèi)、外連接，還要求達到優(yōu)良的電性能、機械性能和環(huán)境適應(yīng)性能。該壓力密封連接器采用法蘭安裝固定在裝備上，殼體較大，封接高度高，底座高度的增加不僅將造成底座的絕緣電阻成倍的下降，也導致封接部位應(yīng)力的增加，易造成封接裂紋的風險和密封的失效。為此，我們在封接的設(shè)計上采用了“半填充”的設(shè)計，在不影響封接強度的前提下盡量降低封接面的高度，可靠的保證產(chǎn)品絕緣電阻指標。其結(jié)構(gòu)采用如下圖2結(jié)構(gòu)。

圖2 “半填充”封接結(jié)構(gòu)

該壓力密封連接器技術(shù)指標中要求的耐壓力高達13600KPa，密封性要求也較高，采用通常的封接結(jié)構(gòu)已經(jīng)達不到該技術(shù)性能要求，必須考慮一種能耐高壓力的結(jié)構(gòu)。目前，國內(nèi)外通常的封接結(jié)構(gòu)都采用圓柱面封接，見圖3a。經(jīng)過計算，采用該結(jié)構(gòu)不能承受技術(shù)指標要求的壓力要求。根據(jù)該產(chǎn)品承受的壓力方向，還可以采用錐形圓柱面封接結(jié)構(gòu)，見圖3b。玻璃的特性是抗壓強度是抗拉強度是8倍以上，采用錐形封接結(jié)構(gòu)可以使玻璃受到的壓力大大提高，經(jīng)過計算該結(jié)構(gòu)可以承受壓力要求。但是，該結(jié)構(gòu)零件在多孔時的加工工藝性較差，精度較高，封接后的不同層面的壓應(yīng)力不同，內(nèi)應(yīng)力不均衡，在受到機械外力或環(huán)境溫度變化后容易造成破裂。

a圓柱面封接結(jié)構(gòu) b 錐形結(jié)構(gòu)

根據(jù)產(chǎn)品要求的技術(shù)指標和單位加工技術(shù)水平能力，采用一種梯形圓柱面封接結(jié)構(gòu)，見圖4。根據(jù)計算和試驗，該結(jié)構(gòu)的玻璃體能承受巨大的超過20000 KPa以上的外部壓力而不泄漏，殼體零件加工工藝性良好，加工精度要求不高，對玻璃體的尺寸精度也沒有特殊要求。該結(jié)構(gòu)的唯一缺點是不能承受大的反向壓力。

圖4 梯形封接結(jié)構(gòu)

3.2.2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計

該壓力密封連接器采用密封圈密封，法蘭式連接在裝置上，氣密性小于1×10-3Pa·cm3/s，絕緣電阻達10000MΩ。玻璃金屬封接絕緣電阻值與封接的厚度成反比，厚度越大絕緣電阻也小。該產(chǎn)品殼體的厚度為9mm，理論計算的絕緣電阻值已經(jīng)接近技術(shù)指標的要求， 產(chǎn)品電性能的可靠性下降。如果設(shè)計封接的厚度為4.5 mm，絕緣電阻值將提高一倍。該產(chǎn)品采用了“半填充”密封封接設(shè)計結(jié)構(gòu)，見圖5。

圖5 密封結(jié)構(gòu)

3.3 電性能設(shè)計

電性能是壓力密封連接器的主要性能之一，由于采用了“半填充”的設(shè)計思路，在不影響電鍍時鍍液及時排出的前提下盡量降低封接面的高度，使絕緣電阻的設(shè)計值提高了40%以上。

該產(chǎn)品要求引線腳與殼體之間的絕緣電阻≥10000MΩ，絕緣電阻計算公式為：

(1)

式中， R -絕緣電阻(MΩ)；

ρ-玻璃材料的電阻率(MΩ.m)；

h -底座厚度(m)；

r1、r2-分別為絕緣子的內(nèi)外半徑(m)。

代入以上各值，得出絕緣電阻為：R=12.5×104MΩ，大于設(shè)計上要求的10000 MΩ，可以滿足產(chǎn)品的性能要求，鑒定試驗實際測試大于50000 MΩ。

3.4 氣密性設(shè)計

該壓力密封連接器要求氣密性小于等于1×10-3Pa·cm3/s，該性能指標不僅與材料選用有關(guān)，而且與預(yù)氧化層的成分和厚度控制密切相關(guān)，預(yù)氧化層的狀態(tài)設(shè)計是保證氣密性的關(guān)鍵。預(yù)氧化層厚度的控制采用氧化增重法計算，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，其氧化增重控制在0.3～0.7mg/cm2時，玻璃與可伐合金的封接效果可以達到較好的狀態(tài)。

氧化增重公式為：

W=(W1-W2/S)

(2)

式中， W-氧化增重(mg)；

W1-試樣氧化后重量(mg)；

W0-試樣氧化前重量(mg)；

S-試樣面積(cm2)。

按此氧化工藝及計算的產(chǎn)品可以滿足泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s的要求。經(jīng)實際測試，封裝后的外殼產(chǎn)品的泄漏率<2×10-4Pa·cm3/s。

4 工藝設(shè)計

壓力密封連接器主要由底座、引出端、玻璃坯零件加工組成。零件加工工藝和凈化處理、預(yù)氧化處理工藝、玻璃坯制造工藝及燒結(jié)工藝的設(shè)計也是該產(chǎn)品達到技術(shù)性能指標要求的關(guān)鍵部分。

4.1 底座零件加工工藝

該產(chǎn)品底座的尺寸精度較高、外形復(fù)雜，工藝上采用先粗加工，然后在銑加工中心精加工的方法完成，較好地保證了設(shè)計的要求。封接內(nèi)孔表面的粗糙度是影響封接質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，內(nèi)孔的表面粗糙度必須在Ra≤1.6μm。

4.2 底座和引出端零件凈化處理和預(yù)氧化處理工藝設(shè)計

金屬-玻璃的燒結(jié)要達到良好的的氣密性、絕緣性能和承受溫度沖擊、溫度循環(huán)等要求，必須保證封接結(jié)合部位的表面潔凈，即金屬雜質(zhì)和有機雜質(zhì)極少。

底座和引線零件在加工過程中會產(chǎn)生應(yīng)力，表面受到污染。通過前清洗處理和高溫退火熱處理等手段對其表面進行凈化處理，去除表面的雜質(zhì)，凈化表面，消除材料和加工中的內(nèi)應(yīng)力。

高溫退火熱處理采用真空退火熱處理，真空度要求不低于5×10-3Pa。按此工藝不僅保證了金屬封接部位的強度要求，也使封接產(chǎn)品的機械性能、電性能達到了最佳狀態(tài)。

氣密性指標不僅與材料有關(guān)，而且與預(yù)氧化層的成分和厚度控制也密切相關(guān)。產(chǎn)品采用成熟的氧化工藝，保溫時間為12～15分鐘，按此工藝氧化層厚度較佳。試驗證明效果良好，保證設(shè)計要求。

經(jīng)實際測試，按此工藝封裝后的產(chǎn)品能達到2×10-4Pa·cm3/s。

4.3 玻璃坯制造工藝

制坯的尺寸精度和工藝設(shè)計都直接影響到封接性能。該產(chǎn)品的玻璃坯較大，排蠟、?；y度都很大，如果排蠟不徹底，將使封接后的致密度下降，絕緣電阻大大降低。經(jīng)多次試驗采用多溫度段排蠟工藝在鏈式排蠟爐內(nèi)完成，經(jīng)初樣、正樣和鑒定試驗證明能可以很好的滿足產(chǎn)品的性能要求。

玻璃坯的制作工藝流程如下：

玻粉 → 烘粉 → 篩粉 → 壓坯 → 排蠟→ 玻化 → 檢驗

4.4 底座與玻璃燒結(jié)工藝設(shè)計

底座燒結(jié)是本產(chǎn)品封接性能達到設(shè)計要求的最終環(huán)節(jié)，是整個密封連接器的關(guān)鍵。燒結(jié)的溫度根據(jù)玻璃粉的燒結(jié)溫度和零件的大小、放置的多少確定。燒結(jié)在鏈式燒結(jié)爐內(nèi)完成。燒結(jié)的后段，需在485℃溫度時段，增加了保溫20～30分鐘去應(yīng)力退火，使其在受到外部高、低溫度循環(huán)變化和一定機械外力的作用下仍然不至于受到破壞。

經(jīng)測試，燒結(jié)后的封接強度很高，能夠承受規(guī)定的試驗條件考驗。實際測試該產(chǎn)品的一根引線能夠承受5Kg的拉力而不影響密封性。

5 技術(shù)難點及措施

1)抗高氣壓力是技術(shù)難點之一。設(shè)計上采用“梯形圓柱面”封接設(shè)計結(jié)構(gòu)，同時采用匹配封接，保證產(chǎn)品在規(guī)定的使用環(huán)境下能承受各種冷熱的沖擊。工藝、質(zhì)量控制上嚴格各工藝規(guī)范，保證封接強度。很好的解決了該技術(shù)難點。該結(jié)構(gòu)的唯一缺點是不能承受大的反向壓力。

2)絕緣電阻是該產(chǎn)品的技術(shù)難點之二。設(shè)計上采用了“半填充”的設(shè)計，使絕緣電阻提高約30%，實際值達到500000MΩ以上。

6 結(jié)束語

通過對該壓力密封連接器的結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計和多次工藝試驗、攻關(guān)，較好地保證了外殼的高壓力、高密封、高絕緣性能，為其他高壓力密封連接器的設(shè)計提供了良好的借鑒。