供稿|王偉，于軍輝， / WANG Wei , YU Jun-hui ,

內(nèi)容導讀

文章介紹了一種基于無擴孔或者焊接工藝并且可適配多種規(guī)格管材內(nèi)壓爆破實驗的新型密封組件的設計過程。新型密封組件解決了以往內(nèi)壓爆破實驗過程中容易產(chǎn)生的數(shù)據(jù)失真、泄壓、安裝麻煩等問題，避免了對實驗管件徑向擠壓所造成的變形，避免了通過焊接對管件造成的熱影響區(qū)。通過開展內(nèi)壓爆破測試實驗對新型密封組件的使用效果進行了驗證。實驗表明新型密封組件具有高效、經(jīng)濟、簡單、實用的特點，可以推廣應用于各類液壓管件的密封和聯(lián)接，極具應用及推廣使用價值。

金屬材料薄壁管性能的檢測是通過對薄壁管材內(nèi)部加載液壓油至爆破來衡量薄壁管材的承受內(nèi)壓能力的[1]。實驗前需要對薄壁管材一端進行密封，另外一端與爆破實驗機聯(lián)接，密封組件和聯(lián)接件都必須對應不同的實驗管材規(guī)格而機械加工、焊接制作。這種密封方式成功率低，而且密封組件不易加工，最主要的是一套組件無法適配不同規(guī)格的管材實驗，多一種管材規(guī)格就需要多一副規(guī)格相對應的密封組件，延長了實驗周期，也增加了實驗成本[2]。本文分析并設計了一種可適配多種規(guī)格管材的內(nèi)壓爆破實驗的新型密封組件，用以提高實驗的成功率和效率，并保證實驗的可靠性。

實驗要求及擴口密封

爆破實驗過程參照執(zhí)行“ASTM-B811-13(2017)：鋯合金核燃料包殼管材的室溫密閉式檢驗過程”的規(guī)定，壓力加載速率為(13.8±1.4) MPa/min，為了實驗的持續(xù)性，應該保證最初流體體積不產(chǎn)生壓力峰，并無泄露，針對不同性能產(chǎn)品，密封組件需承受最高壓力為120 MPa。實驗管材規(guī)格從φ7~16 mm，壁厚不大于2 mm。

擴口密封就是將管材一端擴張成和密封堵頭一樣的擴孔角度，再壓緊密封。擴孔密封只是薄壁管材密封的其中一種方式，在爆破實驗過程中不但要滿足實驗的要求，而且在擴孔、安裝過程中需要避免試樣所受到的不同程度的作用力，防止在實驗前就對試樣產(chǎn)生應力，從而導致實驗數(shù)據(jù)的不真實。

密封組件設計與分析

設計要求

密封組件的設計要求：對聯(lián)接強度、爆破實驗過程穩(wěn)定程度、安裝拆卸方便性、適配性等滿足程度主要從4個方面進行考慮：

(1) 適配性。在實際應用中會有不同規(guī)格的管材需要爆破實驗測試，每一次都通過匹配方式來采購或是加工密封組件必然是不現(xiàn)實、不經(jīng)濟的方法，那么就需要一套能夠適配多種管材規(guī)格范圍的密封組件且都滿足實驗聯(lián)接強度。

(2) 可靠性。常規(guī)實驗中，偶爾出現(xiàn)的泄露或者密封件滑落將使得實驗數(shù)據(jù)的真實性、可靠性大打折扣，并且密封方式會對實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定影響。因此，要求密封組件必須能夠保證聯(lián)接強度的同時又不對管材施加徑向加持力。

(3) 高效性。密封組件盡可能節(jié)省裝卸時間，實現(xiàn)快速換裝實驗樣品并且調(diào)整簡單便捷。

(4) 經(jīng)濟性。密封組件設計時要盡可能降低所使用的材料成本，降低加工工藝的復雜度。

結(jié)構設計

密封組件主要包括三部分：內(nèi)錐件、堵頭、密封套。密封組件結(jié)構簡單也正是最大優(yōu)點之一，加工工藝簡單可以降低加工成本，方便靈活的操作可以減少操作人員的操作時間和工作量。

密封組件在選材方面考慮了很多因素。首先要滿足設計要求，而且要考慮到體積大小。因為爆破實驗機對爆破處做了很多爆破防護，實驗空間比較狹小，太大太重的密封組件也不方便操作。綜合考慮材料成本和加工性能，確定選用45鋼，無需任何熱處理及防銹處理。

針對某種牌號的鋯合金性能反復測試得到合適的薄壁管材擴孔角度范圍為27°~30°。通過金相組織分析發(fā)現(xiàn)：當擴孔角度>30°后，鋯合金薄壁管材在擴口最大直徑處由于壁厚變薄一定程度上出現(xiàn)微裂紋，并在實驗過程中首先發(fā)生塑性變形，并有可能出現(xiàn)泄露及破口靠近擴口處從而影響實驗數(shù)據(jù)真實性；從設計材料性能方面出發(fā)，為了操作方便，在安裝過程中需要的預緊力較小，因此當擴口角度<27°時薄壁管材或者超高壓實驗時也可能會出現(xiàn)泄露。合適的擴孔角度范圍為27°~30°，最終統(tǒng)一取值為28°。

通過對密封組件整體結(jié)構分析，再考慮機械加工的可行性后，設計新型密封組件結(jié)構如圖1所示。設計新型密封組件的目的就是為了薄壁管材的端密封，保證實驗加載過程中無泄漏且組件穩(wěn)定，所以密封面至為關鍵。密封組件的結(jié)構及功能特點如表1所示。

圖1 新型密封組件結(jié)構圖

表1 密封組件的結(jié)構及功能

新型密封組件使用測試實驗

密封組件使用步驟

如圖1所示，首先將已加工好的兩個內(nèi)錐件2套入管材1。利用擴口工具對管材實施擴口[3]，軸向擴口長度≥7 mm且≤10 mm，密封端堵頭6底部放入密封套3內(nèi)，內(nèi)錐件2與密封套3為螺紋聯(lián)接并用>50 N的預緊力預緊，與實驗機聯(lián)接的通孔堵頭4放入密封套5中，內(nèi)錐件2與密封套5為螺紋聯(lián)接并用>50 N的預緊力預緊，在通孔堵頭4一端與實驗機螺紋聯(lián)接前先注入液壓油；其次系統(tǒng)排空，開始加壓加載至管材1爆破泄壓。對完成實驗后的試樣，從內(nèi)錐件2根部鋸切拆卸組件去除擴口部分。然后，使用密封組件對下一個樣品進行擴口裝夾，實現(xiàn)密封組件的循環(huán)利用。

爆破實驗測試驗證

使用同一臺線性加載爆破設備對對同批次、同規(guī)格10根薄壁管材采用新型密封組件擴孔密封后進行內(nèi)壓爆破，實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 新型密封組件使用測試實驗數(shù)據(jù)

通過相對標準差RSD來衡量實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性，相對標準偏差RSD計算公式為：

其中，標準差SD的計算公式為：

用公式(2)計算表2中的爆破強度數(shù)據(jù)得到標準差SD=0.15；公式(2)計算表2中的周向延伸率數(shù)據(jù)得到標準差SD=2。用公式(1)計算得到爆破強度的相對標準差RSD=0.28%；周向延伸率相對標準差RSD=0.42%。由相對標準偏差數(shù)據(jù)不難看出，實驗數(shù)據(jù)具有較好的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性，而且10個試樣在實驗過程中無泄漏，爆破后的破口均勻、平整，如圖2所示。

圖2 爆破后的試樣

結(jié)束語

(1) 實驗證明，新型密封組件很好地解決了爆破實驗過程中不但滿足實驗的要求而且在擴口密封、安裝過程中能夠有效避免試樣所受到的不同程度的作用力而導致的試樣內(nèi)應力，保證了實驗數(shù)據(jù)的真實性、有效性；

(2) 通過開展內(nèi)壓爆破擴口式密封組件的測試驗證實驗證明，新型密封組件能夠承受較高的內(nèi)壓負載，具有較高的密封及聯(lián)接可靠性及穩(wěn)定性；

(3) 新型密封組件不僅僅適用于內(nèi)壓爆破實驗的密封及聯(lián)接裝置，還適用于任何一種液壓系統(tǒng)的導管聯(lián)接或者密封，其實用性及可靠性值得推廣。經(jīng)濟實用的新型密封組件極具應用及推廣使用價值。