大型结构件刀口及惠勒密封重复密封性能研究*

王 群 刘 梅 朱建平

(1.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所 四川绵阳 621999;2.四川龙天精工科技有限公司 四川绵阳 621022)

对于高真空度内环境的大型装置，其真空度除受限于技术条件外，出厂后的运输及现场的装调也会极大地影响整个装置的总泄漏率。运输过程的颠簸及温度变化可能会造成真空度低于标准要求[1]，因此在现场的装调过程中会进行二次真空密封及检测。由于大型真空系统的容积大,所需持续施氦并监测的时间往往很长[2]。因此装置一旦发生泄漏，将会给装置的使用或安装调试过程造成巨大的影响。刀口密封[3]作为常用的密封方式被大量采用在某实验装置上,但现场的装调发现部分密封结构在二次抽真空时无法实现有效密封，经检查发现其刀口经过运输后发生了塑性变形或结构破损。结合装置的密封结构和刀口密封的方式，梳理发现了以下几个问题：(1)实现有效密封的螺钉预紧力范围较窄，螺钉预紧力偏小无法有效密封，而预紧力太大会破坏刀口，无法实现二次密封；(2)螺钉的预紧力受刀口半径等因素的影响明显，一致性差[4]；(3)拧紧螺钉时刀口处的应力集中比较明显，容易发生塑性变形，并且密封面在运输与安装过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]。

惠勒密封将端面处加工得到的20°锥面作为密封面，采用球面金属垫，形成球面与锥面之间的线接触密封，能够自动适应上下法兰安装预紧过程中的偏移误差，自位性好，并且线接触处可得到较高密封比压，密封可靠。采用此种密封结构的真空系统，经过高温烘烤后，可以得到极高的系统真空度。为探讨惠勒密封在大型结构件密封上应用的可行性，本文作者采用试验研究及有限元分析的方法比较惠勒密封和刀口密封在工程实际应用中的差异。试验首先通过仪器测试确定了2种密封方式的最佳螺栓预紧力，然后按照实际密封结构分别对2种密封方式的首次及二次真空密封性能进行了检测，并通过有限元方法分析其接触面的应力和应变，为惠勒密封的应用提供参考依据。

1 试验研究

1.1 刀口及惠勒密封方式

刀口密封结构如图1所示，法兰顶部预留有与氦质谱检漏仪相连的接口，密封垫材料为无氧铜[6]，厚度2 mm，刀口半径0.2 mm。法兰边缘均匀分布20颗M8的螺钉压紧密封结构。

图1 刀口密封结构

惠勒密封同样使用无氧铜为密封圈材料，不过垫圈为O形圈，截面直径为2 mm。压紧后垫圈产生塑性变形挤满左侧空间，多余部分从右侧挤出，从而形成可靠密封[7]。为了保证试验的可信度，控制无关变量，惠勒密封的法兰结构尺寸与图1中刀口密封完全一致，如图2所示。

图 2 惠勒密封结构

1.2 螺钉拧紧力矩测量

螺钉的拧紧力矩对密封性能有很大的影响[8]，在重复密封试验开始前，为了确定2种密封方式合适的螺钉拧紧力矩，设计了试验过程如图3所示。首先根据经验值设定一远小于实际拧紧力矩的初始力矩M0，文中试验设置为10 N·m。在开始阶段，真空漏率远超检漏仪精度，此时检测会损坏真空检漏仪，因此只能通过经验来判断是否有效密封。当不能通过经验判断是否有效密封时，使用仪器检测漏率。试验每次增加1 N·m力矩，直至达到有效密封，记录扭矩值；更换垫片后继续增加拧紧力矩，直至密封结构发生变形而不能实现有效密封，记录扭矩值，测试结束。试验时对每种密封方式进行3次测试来保证正确性[9]。

图3 确定有效密封螺钉预紧力矩范围试验流程

如表1所示，刀口密封的初始有效密封所需的螺钉拧紧力矩略高于惠勒密封。惠勒密封的螺钉拧紧力矩最大值为40 N·m，这是根据螺钉的强度设计的测试上限值。在测试中，惠勒密封在20～40 N·m拧紧力矩范围内始终能实现有效密封，直至达到螺钉的最大拧紧力矩；而刀口密封仅在21～24 N·m拧紧力矩范围内能实现有效密封。

表1 两种密封方式的螺钉有效预紧力矩范围 单位：N·m

1.3 重复密封试验

根据表1的试验数据，取22、24 N·m分别作为刀口密封和惠勒密封的螺钉拧紧力矩,在装配过程中使用恒扭矩扳手拧紧螺钉，经检漏仪测量记录结果后，更换密封垫进行二次测量。刀口密封还需在更换密封垫前检查修理刀口，而惠勒密封不需做额外的处理。图4、5示出了2种密封垫圈的压痕。表2、3示出了2种密封重复密封试验结果。

图4 刀口密封铜密封垫压痕

图5 惠勒密封铜密封垫压痕

表2 刀口密封重复密封试验结果

试验结果表明一般情况下，刀口密封及惠勒密封均能实现首次有效密封及重复密封。为了模拟密封结构的损坏，用美工刀对惠勒密封方式的密封圈或接触面划出较浅的划痕，如表3中试验5、8。可见，当垫圈或接触面出现破损时，惠勒密封仅需通过增加拧紧力矩的方式便可实现重复密封，而刀口密封则必须修理刀口或更换垫圈才能实现有效密封。可见惠勒密封结构具有更高的可靠性。

表3 惠勒密封重复密封试验结果

惠勒密封试验过程中有一次因密封圈未压平而导致无法有效密封，如图6所示。为了避免这种情况的再次发生，可加大下法兰导向槽的倒角及增加导向长度[10-11]。

图 6 未压平密封圈形状

2 数值分析

2.1 有限元模型的建立

根据密封结构的特点，采用二维轴对称模型代替三维模型来减少计算量并保证计算精度[12]如图7、图8所示。

图 7 刀口密封二维轴对称模型

图8 惠勒密封二维轴对称模型

由于密封面相对于整个密封结构来说尺寸较小，模型进一步简化为如图9、图10所示。

图9 刀口密封面有限元模型

图10 惠勒密封有限元模型

M8螺钉的拧紧力与轴向预紧力的比例关系确定为1∶657.5 N，即20颗螺钉在拧紧力矩为1 N时，产生的预紧力为13.15 kN。因此有限元分析时的轴向预紧力根据试验确定的拧紧力矩计算可得出。密封结构的接触类型设置为frictional，摩擦因数为0.15[13]。表4给出了材料的基本属性。

表4 材料基本性能

2.2 计算结果与分析

刀口密封采用的螺钉拧紧力矩为22 N·m，总的螺钉预紧力为289.3 kN，施加到刀口密封的有限元模型上，计算得到刀口密封结构的应力和变形如图11、12、13所示。

图11 刀口密封应力及应变整体分析

可见，拧紧力矩22 N·m下，刀口密封面的最大变形0.152 mm，刀口的最大应力189.7 MPa，密封垫的最大应力94.77 MPa。

图12 刀口密封铜垫应力及应变分析

图13 刀口密封刀口应力及应变分析

惠勒密封采用的螺钉拧紧力矩为24 N·m，总的螺钉预紧力为315.6 kN，施加到惠勒密封的有限元模型上，计算得到惠勒密封结构、铜圈及法兰的应力和变形分别如图14、15、16所示。

图14 惠勒密封结构应力及应变整体分析

可见，24 N·m拧紧力矩下，惠勒密封密封圈的最大变形为0.145 mm，刀口面的最大应力为76.97 MPa，密封圈的最大应力为96.01 MPa。

图15 惠勒密封结构铜圈应力及应变分析

图16 惠勒密封结构法兰应力及应变分析

刀口密封结构中刀口的最大应力(189.7 MPa)大于密封垫的最大应力(94.77 MPa)，十分接近刀口材料(不锈钢)的屈服极限(207 MPa)，继续增加螺钉预紧力会导致刀口发生屈服，影响重复密封；而惠勒密封结构法兰面的最大应力(76.97 MPa)小于密封圈的最大应力(96.01 MPa)，远未达到其屈服极限(207 MPa)，密封圈已发生塑性变形，继续增加螺钉预紧力刀口面与密封圈的接触面进一步增加，使得法兰面的应力增加缓慢，不易发生屈服[15]。

因此在装配过程中刀口容易发生破坏，必须严格控制螺钉拧紧力矩的范围；而惠勒密封的法兰面不会因为螺钉预紧力过大而破坏，且在法兰面或密封圈存在小的缺陷的情况下可以在不超过螺钉强度的前提下继续加大螺钉的预紧力，增加密封圈的变形封闭这些小的缺陷[16]，实现有效密封效果。

3 结论

(1)通过实验确定刀口密封和惠勒密封能实现重复有效密封的螺钉拧紧力矩范围，结果表明，刀口密封的初始有效密封所需的螺钉拧紧力矩略高于惠勒密封，但惠勒密封的有效密封螺钉预紧力矩范围更大。

(2)通过重复密封实验对2种密封结构的重复性进行对比，发现刀口密封结构容易受到刀口或密封垫缺陷、刀口塑性变形等因素的影响而不能实现有效密封，而惠勒密封结构可以通过适当加大螺钉拧紧力矩从而增加密封圈的变形量来封闭法兰面或密封圈的小缺陷，实现有效密封，具有更高的可靠性。

(3)对2种密封结构进行有限元计算，从受力状态上分析刀口密封实现有效密封的螺钉拧紧力矩范围较小，而惠勒密封结构能在较大的螺钉拧紧力矩范围内实现有效密封且密封结构不易发生失效的原因。