弹性金属密封技术(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳仪表科学研究院 作者:张文良

  弹性金属密封当初是由宇航工业的需要而发展起来的, 在非常特殊的环境和重量轻的法兰上需要这种密封,这种密封目前正在一般工商业上得到应用。如今,弹性金属密封的种类越来越多,生产加工工艺更加精湛,应用领域逐渐扩大。

1、分类及特点

  按照密封的横断面形状可以将弹性金属密封分为O形、E形、C形、U形、Ω形、V形等, 并分别称为空心金属O形环、E密封、C密封等。同时,弹性金属密封的外形除可以加工成传统的圆形外,还可以加工成方形、三角形、椭圆形、跑道形等多种形状,以适应不同密封腔的需要。

1.1、空心金属O形密封环

  空心金属O形密封环由空心圆管做成,有普通型、充气型、开孔型三种类型。普通型由空心圆管弯成圆环, 焊上接口加工而成。充气型外观与普通型并无区别,但内部充满惰性气体,如氮气、氦气等。充气压力40~50kg/cm2。这种O形环可以补偿金属在高温下回弹能力降低的缺陷。因为高温能使气体膨胀,从而产生一种外加回弹力, 于是金属O形环可以在高温下继续保持良好的密封效果。充气型金属O形环适用于400~800℃的高温。开孔型与普通型外观上也很相似,不同的是与介质接触的内圆上钻有许多小孔, 这样介质压力就能达到空心管内,产生明显的自紧作用。空心金属O形密封环作为静密封件特别有效,可用于极高的压力,如3500kg/cm2,乃至7000kg/cm2 以上;也可以用于超真空密封, 解决橡胶密封圈材料本身的透气性和材料本身蒸发或升华成气体的问题。

1.2、C密封

  C密封断面形状如C形,如图1 所示,好像是O形环移去一部分,有内压式、外压式、轴向式3 种形式。该密封具有和开孔型O形环同样的自紧作用, 并且允许较大的变形。C 密封具有比较低的泄漏率(10~11scc/sec ofHelium),一般的压缩载荷为100~1000PCI。

C密封

图1 C密封(内压式)

  C密封的应用非常广泛:应用于注水阀,可以在压力1000psi、温度600°F 条件下密封水;应用于低压设备,在压力1500psi 下无泄漏密封液氮;应用于燃料注射器,在压力350psi、温度1000°F 条件下密封燃料;应用于真空低温条件下密封氦气等。

  在合理的密封腔设计方案及使用方法下,C密封具有耐受高压的能力。一般情况下,C密封在安装时比较宽松,装配后比较紧密。受压后,密封的封闭端紧紧倚靠在密封腔坚硬的表面, 随着压力的升高密封环的应力基本保持不变,因此提高了耐压能力。有试验证明,C密封可以在200 000psi 下成功使用。尽管最初为高压设计,但因为自身具有弹性特性,所以在比较低的压力下使用效果也非常好。在真空环境,由于有比较软的涂镀层材料的帮助, 氦气泄漏率可以达到10~11scc/sec,并可以在高真空(10-10Torr)条件下工作。C 密封受到少量压挤之后就会发生塑性变形。对于任何横断面的产品,推荐的压缩量均是20%。一旦受到压缩,C密封就发生塑性变形,回弹量很小。C 密封产品可以重复使用, 但能否重复使用依赖于重新安装的具体情况。一般可以在原始腔或者与原始腔具有几乎完全相同深度的密封腔内重复使用。具有涂镀层的密封应用于粗糙的腔体(>63RMS)时不可以重复使用。典型的载荷、变形或者回弹能力,在载荷-变形图(见图2)中可见。通常情况下,C密封可以回弹它原始高度的2%。C密封产品不建议应用于那些在工作过程中持续波动达到这个量的腔体。超过这个数值反复装配或者腔体持续波动,将造成密封因疲劳破坏而失效。

C密封载荷-变形曲线

图2 C密封载荷-变形曲线

1.3、E密封

  E密封断面形状如E形,如图3 所示。该产品主要用于高压震动及大体积腔室形变补偿, 由于负载较低不能像C 密封那样适于电镀。一般有内压型和外压型两种基本形式。同时,根据大位移补偿量的需要及耐受高压的需要可以设计成多波及多层的结构。E 密封属于半静密封, 即处于静密封与动密封之间的一种密封形式, 允许有一定的泄漏率。E 密封的泄漏量高于C密封,并且由于E 密封的压缩载荷比较小(一般的压缩载荷为10~50PCI), 因此对于E 密封依靠电镀或涂覆层来降低泄漏率是无效的。然而,标准的E 密封仍然有相对来说比较低的泄漏量, 通常工作条件下的泄漏率为0.010SCFM(密封腔表面粗糙度值为32RMS)。

 E密封背支撑

图3 E密封(内压式)图4 背支撑

  E密封的应用场合: 气体涡轮发动机机架密封,在压力400psi、温度1 100°F,0.06″轴向热变形工况下密封空气;高温水压元件,在3 000psi 压力波动,500°F 温度变化,0.03″轴向腔体位移工况下工作; 燃料喷嘴,压力50psi,温度700°F 工况下密封空气;涡轮发动机,直径60″,单波结构,在压力50psi,温度900°F 下密封空气,0.03″轴向腔体变形,两个180°圆弧段,Tribaloy 涂覆。

  E密封的耐压能力是断面形状、材料种类、密封直径的综合因素。像C密封一样,在耐受高压时需要加强环或者背支撑(Back Support)结构的辅助。如图4 所示为E密封在高压下有背支撑的工作状态。

  E密封设计为弹性范围内使用,尽管有时候表现出少量的永久变形。典型的轴向变形能力如图5 载荷-变形曲线所示。该值可用于估计产品的重复使用能力。E密封的通用规则为产品在轴向自由高度至少大于腔体运行时高度0.005″时可以重复使用。

密封载荷-变形曲线

图5 密封载荷-变形曲线

  应用显示: 在腔体和密封面间有明显的径向热膨胀(一般大于0.025″),或者在运行过程中过多的径向位移时可以涂覆耐磨材料Tribaloy T-800。涂层材料可以避免密封因径向滑动、粗糙的腔体表面(例如区段密封)、粗糙的表面光洁度或者坚硬的腔体材料而造成磨损。图6 所示为涂层的典型应用。涂覆层不作为标准选择, 如果预先知道工况有较大的径向热位移或者腔体表面形状需要使用涂覆层时,应与生产厂家联系确定。

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