王 群 劉 梅 朱建平

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

對(duì)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(chǎng)的裝調(diào)也會(huì)極大地影響整個(gè)裝置的總泄漏率。運(yùn)輸過(guò)程的顛簸及溫度變化可能會(huì)造成真空度低于標(biāo)準(zhǔn)要求[1]，因此在現(xiàn)場(chǎng)的裝調(diào)過(guò)程中會(huì)進(jìn)行二次真空密封及檢測(cè)。由于大型真空系統(tǒng)的容積大,所需持續(xù)施氦并監(jiān)測(cè)的時(shí)間往往很長(zhǎng)[2]。因此裝置一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)給裝置的使用或安裝調(diào)試過(guò)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(chǎng)的裝調(diào)發(fā)現(xiàn)部分密封結(jié)構(gòu)在二次抽真空時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效密封，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)其刀口經(jīng)過(guò)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(gè)問(wèn)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(wú)法有效密封，而預(yù)緊力太大會(huì)破壞刀口，無(wú)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(shí)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(guò)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(dòng)適應(yīng)上下法蘭安裝預(yù)緊過(guò)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(guò)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(guò)儀器測(cè)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(duì)2種密封方式的首次及二次真空密封性能進(jìn)行了檢測(cè)，并通過(guò)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(wú)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(wú)氧銅為密封圈材料，不過(guò)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(wú)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(cè)量

螺釘?shù)臄Q緊力矩對(duì)密封性能有很大的影響[8]，在重復(fù)密封試驗(yàn)開(kāi)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(guò)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(kāi)始階段，真空漏率遠(yuǎn)超檢漏儀精度，此時(shí)檢測(cè)會(huì)損壞真空檢漏儀，因此只能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷是否有效密封。當(dāng)不能通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷是否有效密封時(shí)，使用儀器檢測(cè)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(cè)試結(jié)束。試驗(yàn)時(shí)對(duì)每種密封方式進(jìn)行3次測(cè)試來(lái)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(cè)試上限值。在測(cè)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(guò)程中使用恒扭矩扳手?jǐn)Q緊螺釘，經(jīng)檢漏儀測(cè)量記錄結(jié)果后，更換密封墊進(jìn)行二次測(cè)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(duì)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?？梢?jiàn)，當(dāng)墊圈或接觸面出現(xiàn)破損時(shí)，惠勒密封僅需通過(guò)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。可見(jiàn)惠勒密封結(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(guò)程中有一次因密封圈未壓平而導(dǎo)致無(wú)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(zhǎng)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(duì)稱模型代替三維模型來(lái)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(duì)稱模型

圖8 惠勒密封二維軸對(duì)稱模型

由于密封面相對(duì)于整個(gè)密封結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)尺寸較小，模型進(jìn)一步簡(jiǎn)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(shí)，產(chǎn)生的預(yù)緊力為13.15 kN。因此有限元分析時(shí)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(jiàn)，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(jiàn)，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(huì)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(guò)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(huì)因?yàn)槁葆旑A(yù)緊力過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)重復(fù)密封實(shí)驗(yàn)對(duì)2種密封結(jié)構(gòu)的重復(fù)性進(jìn)行對(duì)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(guò)適當(dāng)加大螺釘擰緊力矩從而增加密封圈的變形量來(lái)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(duì)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。