一種金屬空心O形圈的使用性能研究

廖紅強(qiáng)，楊云斌，何飛

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽 621999）

0 引言

金屬空心O形圈是一種在環(huán)境適應(yīng)性方面具有獨(dú)特優(yōu)勢的密封件。與橡膠密封方式相比，其具有強(qiáng)度高、剛度高、適應(yīng)溫度范圍廣、適應(yīng)壓力范圍大、抗老化的優(yōu)異性能[1]。但是，其剛度高、強(qiáng)度高的特點(diǎn)卻在裝配使用方面產(chǎn)生了一些不利之處，比如：使裝配過程費(fèi)力、費(fèi)時(shí)，第一次使用后易產(chǎn)生明顯塑性變形導(dǎo)致回彈量小，對反復(fù)拆裝重復(fù)使用的密封性能造成影響等等。

針對某放射性產(chǎn)品的密封容器設(shè)計(jì)，其密封結(jié)構(gòu)要求考慮一定高溫環(huán)境下的密封能力，因此最初選擇了金屬空心O形圈方案。本文基于該放射性產(chǎn)品的密封容器所使用的金屬空心O形圈開展使用性能研究，對使用過程中會面臨的裝配使用性能、重復(fù)使用性能問題從理論分析與試驗(yàn)的角度開展研究，所得結(jié)論對金屬空心O形圈的設(shè)計(jì)選型及其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有實(shí)際參考意義。

1 金屬空心O形圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

金屬空心O形圈是靠加載預(yù)緊后圈的彈性變形所產(chǎn)生的回彈力，使密封面上產(chǎn)生一定的應(yīng)力，此應(yīng)力使圈表面的材料屈服，用以填補(bǔ)密封面上微小的凹凸不平，使圈和密封槽的密封面嚴(yán)密貼合，從而達(dá)到使圈和槽實(shí)現(xiàn)彈性線接觸靜密封的目的[2]。常用材料包括鋁、碳鋼和不銹鋼，根據(jù)操作介質(zhì)、壓力和溫度等進(jìn)行選擇[3]。為了提高密封效果和耐腐蝕能力，通常在金屬管壁噴涂或電鍍厚度為0.03～0.10 mm的相對于基體材料較軟的金、銀或銅等高延展性補(bǔ)償鍍層[4]。

金屬空心O形圈有3種型式：非自緊式、自緊式和充氣式?！胺亲跃o式”是通過密封結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主密封面（密封槽的兩個(gè)端面）和一個(gè)次密封面（密封槽外柱面或內(nèi)柱面）將其壓縮產(chǎn)生的回彈力使之與密封面緊密貼合達(dá)到密封效果[3]。“自緊式”是在管子上鉆若干小孔，使管子內(nèi)腔與密封腔體連通，從而使兩者的壓力相同，以具有自緊密封效果[3]?！俺錃馐健笔窃诠茏觾?nèi)充有惰性氣體，在使用工況下管內(nèi)的壓力隨著溫度的上升而升高，極大地增加了其回彈力[3]。

2 金屬空心O形圈及其密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)

在某放射性產(chǎn)品的密封容器設(shè)計(jì)中，考慮所裝介質(zhì)的放射性、腐蝕性，以及可能經(jīng)歷高溫工況等因素，選擇應(yīng)用金屬空心O形圈進(jìn)行密封。所設(shè)計(jì)的金屬空心O形圈及其密封結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

圖1 金屬密封圈及其密封結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 金屬密封圈設(shè)計(jì)選型

根據(jù)使用條件確定的金屬密封圈的截面直徑d、管子壁厚Δ、外環(huán)直徑Dw、表面鍍層材料及厚度δ如表1所示。

表1 金屬密封圈設(shè)計(jì)參數(shù)表

2.3 密封槽結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算

在金屬空心O形圈設(shè)計(jì)選型基礎(chǔ)上，計(jì)算確定密封槽主要結(jié)構(gòu)尺寸。

1）矩形槽深度T。

合適的回彈力可保證金屬空心O形圈具有較好的密封效果，而其大小主要取決于金屬空心O形圈的壓扁度λ[3]。所謂壓扁度，即密封結(jié)構(gòu)裝配到位后金屬空心O形圈的壓扁程度。文獻(xiàn)[3]采用壓縮后的量比壓縮前的量來度量，文獻(xiàn)[2]采用壓縮的量比壓縮前的量來度量，本文計(jì)算選擇前者，按文獻(xiàn)[3]中壓扁度的定義為λ=（Tδ）/d。

壓扁度的取值一般為0.60～0.75[3]，此處取λ=0.75，再取δ=0.05 mm，代入壓扁度定義式計(jì)算可得：T=4.81 mm，上、下偏差取±0.01 mm。

2）矩形槽外徑D1。

本密封容器按承受內(nèi)壓設(shè)計(jì)，由金屬空心O形圈外側(cè)表面與矩形槽外環(huán)表面形成密封面，密封圈的內(nèi)側(cè)表面與矩形槽內(nèi)環(huán)表面留出間隙。

按文獻(xiàn)[3]、[5]，矩形槽外徑D1按下式計(jì)算：

將各已知量代入上式可得D1=628.90 mm，上、下偏差取±0.05 mm。

3）矩形槽內(nèi)徑D2。

按文獻(xiàn)[2]、[5]，矩形槽內(nèi)徑D2按下式計(jì)算：

將各已知量代入上式可得D2≤613.49 mm，考慮到加工與檢驗(yàn)等因素，圓整取值D2=611 mm，上、下偏差取±0.05 mm。

3 裝配使用性能研究

3.1 影響因素分析

金屬空心O形圈的裝配與橡膠密封圈有較大的區(qū)別，主要是因?yàn)閮烧吡W(xué)性能的差異。金屬空心O形圈具有較高的強(qiáng)度和剛度，在裝配壓縮過程中需要施加較大的載荷，且盡量分步加載，使壓縮量逐步增加，以防止快速加載導(dǎo)致?lián)p壞，直到密封面貼合到位。因此，影響金屬空心O形圈強(qiáng)度與剛度的因素對其裝配使用性能均有影響。

由金屬空心O形圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，截面直徑、壁厚、O形圈環(huán)徑3個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及其壓縮量（由壓扁度決定）為影響裝配使用性能的主要因素，其次還有圈內(nèi)、外側(cè)與槽的間隙等因素。

除了上述主要因素，還有密封容器的內(nèi)外壓差等使用條件因素，非本文研究重點(diǎn)，后續(xù)不再討論。

3.2 裝配加載試驗(yàn)

本文所設(shè)計(jì)密封容器通過36件M16螺釘將容器蓋與體連接，螺釘?shù)臄Q緊力矩，即裝配時(shí)需施加的載荷，可通過下式[3]及軸向力與擰緊力矩轉(zhuǎn)換方法計(jì)算求得：

式中：Dm為空心圈平均外徑，cm；p為密封容器內(nèi)外壓力差，MPa；q為空心圈用管材線密封比壓，N/cm。

參數(shù)q的取值在文獻(xiàn)[2]、[5]中均有部分?jǐn)?shù)據(jù)，但均是給出較大的范圍，對于本文空心圈規(guī)格尚無較準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，因此，此處的擰緊力矩主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值50 N·m。

表2、表3分別給出了兩種加載歷程，容器蓋與體最終均貼合到位，其中4個(gè)位置為在圓周方向均勻選取的4個(gè)部位。另外，為優(yōu)化裝配加載步驟，在不增大最終擰緊力矩值的前提下，還按圖2所示步驟進(jìn)行過多次加載，結(jié)果最后一步均需要10圈左右才能裝配加載到位。

表2 密封容器裝配加載歷程1

表3 密封容器裝配加載歷程2

圖2 改進(jìn)后的裝配加載步驟

3.3 加載結(jié)果分析

由加載過程及表2、表3數(shù)據(jù)可見，金屬空心O形圈的裝配是一個(gè)逐步慢速壓縮變形的過程，同一擰緊力矩加載次數(shù)增加使變形量增加的現(xiàn)象說明，金屬空心O形圈在不斷產(chǎn)生屈服導(dǎo)致的塑性變形。因此金屬空心O形圈裝配到位后的變形量同時(shí)包括彈性變形和塑性變形，并且裝配加載試驗(yàn)后的分解檢測情況及文獻(xiàn)[5]所列各種管材的彈性回彈量均反映出彈性變形量較少，大部分均為塑性變形量。

3.4 優(yōu)化改進(jìn)思路

考慮該密封容器有裝配耗時(shí)指標(biāo)要求，需優(yōu)化改進(jìn)其金屬空心O形圈及密封結(jié)構(gòu)，縮短裝配加載所用時(shí)間。改進(jìn)思路包括：選取截面直徑更小、管子壁厚更小的金屬空心O形圈，以減小密封圈的強(qiáng)度和剛度；增大密封圈內(nèi)、外側(cè)與槽的間隙，以減小壓縮變形后徑向的約束力。

4 重復(fù)使用性能研究

利用所設(shè)計(jì)的金屬空心O形圈開展該密封容器的密封性能試驗(yàn)。采用真空氦檢漏技術(shù)檢測該密封容器的整體漏率。試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)金屬空心O形圈第二次使用比首次使用該密封容器的整體漏率上升了兩個(gè)數(shù)量級，密封容器明顯漏氣。再結(jié)合首次使用后分解時(shí)金屬空心O形圈彈性回彈量很小，發(fā)生了很大塑性變形的情況分析，初步判斷所設(shè)計(jì)金屬空心O形圈不具備重復(fù)使用的能力、適合應(yīng)用于長期不拆卸的密封環(huán)節(jié)。

5 結(jié)論

1）基于參考文獻(xiàn)內(nèi)容，簡要介紹了金屬空心O形圈及其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識，可以為入門設(shè)計(jì)人員提供一些參考信息。

2）從結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算兩個(gè)方面介紹了實(shí)際應(yīng)用中的一種金屬空心O形圈及其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，可以作為設(shè)計(jì)參考。

3）通過理論分析與試驗(yàn)研究，得出影響金屬空心O形圈裝配使用性能的主要因素（截面直徑、管子壁厚、O形圈環(huán)徑及壓縮量），提出了改進(jìn)所設(shè)計(jì)金屬空心O形圈裝配使用性能的思路。

4）簡要介紹了基于所設(shè)計(jì)的金屬空心O形圈開展重復(fù)使用性能研究的情況，初步得出其不具備重復(fù)使用能力、適合應(yīng)用于長期不拆卸的密封環(huán)節(jié)的結(jié)論。