球面密封结构锥形垫片的系列化研究

　　针对航天管路系统中常用的球面密封结构，分析了其密封机理，讨论了密封面的损坏导致介质泄漏的原因。该文以管路系统中常用的37°以及60°球面密封接头为例，研制出相应的系列化锥形垫片。通过工程实践将锥形垫片成功应用于球面密封结构解决泄漏问题，说明了其工程实用价值。

　　引言

　　球头-锥面密封结构(简称“球面密封”)是航天管路系统中广泛应用的一种静密封结构，常用于DN32及其以下的管路、阀门、过滤器、减压器等部件接头连接。球面密封结构通过螺纹预紧，在密封面上形成线密封达到防止介质泄漏的目的，具有密封性能好，拆卸方便的特点。然而，球面密封结构密封面的损伤容易造成介质泄漏，也是目前普遍存在的问题。

1、球面密封概念

　　1.1、密封原理

　　图1为球头-锥面密封结构示意图，球头和喇叭口锥面在外套螺母拧紧之前为线密封，当施加拧紧力矩之后，球头和锥面发生弹塑性变形，使得球头和锥面之间形成一个环状密封面。相关研究表明，要想保证球头-锥面密封结构的密封特性，需要从以下几点考虑：

　　(1)球头-锥面表面的粗糙度影响密封面的漏率，需保证接触面的加工质量；

　　(2)球头-锥面进行接头连接时，充分保证球头与锥面的轴向对正，使得接触面应力分布合理；

　　(3)相对较大的拧紧力会获得相对较宽的密封面和较大的平均接触应力，增强密封效果。但是，当拧紧力过大，由于应力松弛会造成密封面大范围屈服，长期使用容易形成泄漏。

图1 球头-锥面密封结构示意图

　　1.2、密封面泄漏原因分析

　　根据球面密封结构工程实践应用，球面密封损伤会造成介质的泄漏，有以下几方面的原因：

　　(1)密封面有固体颗粒杂质，对密封面的划伤；

　　(2)装配过程中，拧紧力过大，使得接触面发生塑性变形；

　　(3)装配过程中，球面-锥面不对正，受力不均，密封面局部损伤；

　　(4)接头经常拆卸，密封面的磨损。

2、锥形垫片的设计

　　2.1、结构设计

　　由于球头-锥面密封接触面的损伤，造成介质泄漏，不得不对球头-锥面连接件进行更换，导致整根管路或者是整个阀门等部件的重新制作和更换，浪费了大量的资源，也需要相当长的制作周期。

　　锥形垫片是与锥面相贴合的软质薄垫片，当锥形垫片安装到球头-锥面之间后，在拧紧力的作用下，球头与垫片、垫片与锥面之间各自形成新的密封。并且，由于垫片材质较软，锥形垫片可以适应损伤密封面凸峰和凹谷的紧密接触，阻止介质泄漏。如图2所示。

图2 锥形垫片安装图

　　2.2、材料选择

　　一般，球头-锥面接头为06Cr19Ni10不锈钢材料。使用锥形垫片，为了使得接头在受力拧紧的情况下，能够填补损伤的密封面，需选用相对较软的材料加工。因此，选择铝棒1035 或者退火状态的铜棒T2 加工而成。

3、锥形垫片的系列化

　　3.1、基本结构尺寸

　　根据球头-锥面密封结构锥角度数的大小，可分为α=37°和α=60°接头密封形式。其中，37°球面密封结构应用于公称压力35MPa以下的管路系统，60°球面密封结构应用于公称压力23MPa以下的管路系统。设计锥形垫片的厚度为1mm，端部尺寸D、d 以及长度尺寸l 需要根据密封接头的尺寸确定，大端尺寸D 与锥面的大端内径一致；小端尺寸d 的内径与锥面小端内径一致；保证锥形垫片的锥角与接头的锥角一致，计算得到长度尺寸l。为了保证密封效果，垫片内外表面的粗糙度要达到Ra1.6。

图3 锥形垫片尺寸图

　　3.2、不同锥角垫片的系列化

　　1)37°锥形垫片

　　根据球头-锥面密封接头的通径规格，可以把α=37°的锥形垫片分为DN4、DN6、DN8、DN10、DN15、DN20、DN25、DN32共8个系列。其规格和相关尺寸如表1所示。

　　2)60°锥形垫片

　　根据球头-锥面密封接头的通径规格，可以把α=60°的锥形垫片分为DN4、DN6、DN8、DN10、DN12、DN14、DN16、DN18、DN20DN22、DN25、DN28、DN30、DN32、DN35 共15 个系列。其规格和相关尺寸如表2所示。

表1 锥形垫片系列(α=37°)

表2 锥形垫片系列(α=60°)

　　3.3、制作加工

　　图4 为采用铝棒加工而成的部分规格锥形铝垫片。1号为DN4，2号为DN6，3号为DN8，4号为DN10，锥角为60°的锥形垫片。

图4 锥形垫片实物图

　　5号为DN4，6号为DN6，7号为DN8，8号为DN10，9号为DN15，10号为DN20，11号为DN25，锥角为37°的锥形垫片。

4、工程应用

　　某供气系统涉及DN15、DN20、DN25、DN32四种规格的管路，系统最高工作压力25MPa，阀门、过滤器、减压阀以及管路接头采用的是37°球头密封结构。由于长期使用，发现压力表有压降现象。于是对系统重新进行气密性检验，结果表明：DN20有4处泄漏点，DN25有5处泄漏点。对接头拆开发现密封面有损伤，采取表面涂抹航天专用密封脂重新安装，只有2处DN20泄漏点得到解决。由于管路安装位置不容易重新更换，最终采取加工安装了37°锥形铝垫片。重新气密检测，剩余泄漏点修复完好，系统无压降。

　　由此可见，锥形密封垫片在快速修复球头-锥面密封结构，解决介质泄漏方面有着重要的应用前景。

5、结论

　　本文对球头-锥面密封结构的密封原理进行了介绍，并进一步分析了造成密封面泄漏的原因。通过设计锥形垫片结构解决介质泄漏的问题，并且将37°、60°两种规格的密封面结构采用的锥形垫片进行了系列化研究。通过工程实践应用锥形垫片，证实了锥形垫片能有效修复损伤的密封表面，解决泄漏问题。