針對航天管路系統(tǒng)中常用的球面密封結(jié)構(gòu)，分析了其密封機(jī)理，討論了密封面的損壞導(dǎo)致介質(zhì)泄漏的原因。該文以管路系統(tǒng)中常用的37°以及60°球面密封接頭為例，研制出相應(yīng)的系列化錐形墊片。通過工程實(shí)踐將錐形墊片成功應(yīng)用于球面密封結(jié)構(gòu)解決泄漏問題，說明了其工程實(shí)用價(jià)值。

　　引言

　　球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)(簡稱“球面密封”)是航天管路系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的一種靜密封結(jié)構(gòu)，常用于DN32及其以下的管路、閥門、過濾器、減壓器等部件接頭連接。球面密封結(jié)構(gòu)通過螺紋預(yù)緊，在密封面上形成線密封達(dá)到防止介質(zhì)泄漏的目的，具有密封性能好，拆卸方便的特點(diǎn)。然而，球面密封結(jié)構(gòu)密封面的損傷容易造成介質(zhì)泄漏，也是目前普遍存在的問題。

1、球面密封概念

　　1.1、密封原理

　　圖1為球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)示意圖，球頭和喇叭口錐面在外套螺母擰緊之前為線密封，當(dāng)施加擰緊力矩之后，球頭和錐面發(fā)生彈塑性變形，使得球頭和錐面之間形成一個(gè)環(huán)狀密封面。相關(guān)研究表明，要想保證球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)的密封特性，需要從以下幾點(diǎn)考慮：

　　(1)球頭-錐面表面的粗糙度影響密封面的漏率，需保證接觸面的加工質(zhì)量；

　　(2)球頭-錐面進(jìn)行接頭連接時(shí)，充分保證球頭與錐面的軸向?qū)φ�，使得接觸面應(yīng)力分布合理；

　　(3)相對較大的擰緊力會(huì)獲得相對較寬的密封面和較大的平均接觸應(yīng)力，增強(qiáng)密封效果。但是，當(dāng)擰緊力過大，由于應(yīng)力松弛會(huì)造成密封面大范圍屈服，長期使用容易形成泄漏。

圖1 球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)示意圖

　　1.2、密封面泄漏原因分析

　　根據(jù)球面密封結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐應(yīng)用，球面密封損傷會(huì)造成介質(zhì)的泄漏，有以下幾方面的原因：

　　(1)密封面有固體顆粒雜質(zhì)，對密封面的劃傷；

　　(2)裝配過程中，擰緊力過大，使得接觸面發(fā)生塑性變形；

　　(3)裝配過程中，球面-錐面不對正，受力不均，密封面局部損傷；

　　(4)接頭經(jīng)常拆卸，密封面的磨損。

2、錐形墊片的設(shè)計(jì)

　　2.1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　由于球頭-錐面密封接觸面的損傷，造成介質(zhì)泄漏，不得不對球頭-錐面連接件進(jìn)行更換，導(dǎo)致整根管路或者是整個(gè)閥門等部件的重新制作和更換，浪費(fèi)了大量的資源，也需要相當(dāng)長的制作周期。

　　錐形墊片是與錐面相貼合的軟質(zhì)薄墊片，當(dāng)錐形墊片安裝到球頭-錐面之間后，在擰緊力的作用下，球頭與墊片、墊片與錐面之間各自形成新的密封。并且，由于墊片材質(zhì)較軟，錐形墊片可以適應(yīng)損傷密封面凸峰和凹谷的緊密接觸，阻止介質(zhì)泄漏。如圖2所示。

圖2 錐形墊片安裝圖

　　2.2、材料選擇

　　一般，球頭-錐面接頭為06Cr19Ni10不銹鋼材料。使用錐形墊片，為了使得接頭在受力擰緊的情況下，能夠填補(bǔ)損傷的密封面，需選用相對較軟的材料加工。因此，選擇鋁棒1035 或者退火狀態(tài)的銅棒T2 加工而成。

3、錐形墊片的系列化

　　3.1、基本結(jié)構(gòu)尺寸

　　根據(jù)球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)錐角度數(shù)的大小，可分為α=37°和α=60°接頭密封形式。其中，37°球面密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于公稱壓力35MPa以下的管路系統(tǒng)，60°球面密封結(jié)構(gòu)應(yīng)用于公稱壓力23MPa以下的管路系統(tǒng)。設(shè)計(jì)錐形墊片的厚度為1mm，端部尺寸D、d 以及長度尺寸l 需要根據(jù)密封接頭的尺寸確定，大端尺寸D 與錐面的大端內(nèi)徑一致；小端尺寸d 的內(nèi)徑與錐面小端內(nèi)徑一致；保證錐形墊片的錐角與接頭的錐角一致，計(jì)算得到長度尺寸l。為了保證密封效果，墊片內(nèi)外表面的粗糙度要達(dá)到Ra1.6。

圖3 錐形墊片尺寸圖

　　3.2、不同錐角墊片的系列化

　　1)37°錐形墊片

　　根據(jù)球頭-錐面密封接頭的通徑規(guī)格，可以把α=37°的錐形墊片分為DN4、DN6、DN8、DN10、DN15、DN20、DN25、DN32共8個(gè)系列。其規(guī)格和相關(guān)尺寸如表1所示。

　　2)60°錐形墊片

　　根據(jù)球頭-錐面密封接頭的通徑規(guī)格，可以把α=60°的錐形墊片分為DN4、DN6、DN8、DN10、DN12、DN14、DN16、DN18、DN20DN22、DN25、DN28、DN30、DN32、DN35 共15 個(gè)系列。其規(guī)格和相關(guān)尺寸如表2所示。

表1 錐形墊片系列(α=37°)

表2 錐形墊片系列(α=60°)

　　3.3、制作加工

　　圖4 為采用鋁棒加工而成的部分規(guī)格錐形鋁墊片。1號為DN4，2號為DN6，3號為DN8，4號為DN10，錐角為60°的錐形墊片。

圖4 錐形墊片實(shí)物圖

　　5號為DN4，6號為DN6，7號為DN8，8號為DN10，9號為DN15，10號為DN20，11號為DN25，錐角為37°的錐形墊片。

4、工程應(yīng)用

　　某供氣系統(tǒng)涉及DN15、DN20、DN25、DN32四種規(guī)格的管路，系統(tǒng)最高工作壓力25MPa，閥門、過濾器、減壓閥以及管路接頭采用的是37°球頭密封結(jié)構(gòu)。由于長期使用，發(fā)現(xiàn)壓力表有壓降現(xiàn)象。于是對系統(tǒng)重新進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：DN20有4處泄漏點(diǎn)，DN25有5處泄漏點(diǎn)。對接頭拆開發(fā)現(xiàn)密封面有損傷，采取表面涂抹航天專用密封脂重新安裝，只有2處DN20泄漏點(diǎn)得到解決。由于管路安裝位置不容易重新更換，最終采取加工安裝了37°錐形鋁墊片。重新氣密檢測，剩余泄漏點(diǎn)修復(fù)完好，系統(tǒng)無壓降。

　　由此可見，錐形密封墊片在快速修復(fù)球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)，解決介質(zhì)泄漏方面有著重要的應(yīng)用前景。

5、結(jié)論

　　本文對球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)的密封原理進(jìn)行了介紹，并進(jìn)一步分析了造成密封面泄漏的原因。通過設(shè)計(jì)錐形墊片結(jié)構(gòu)解決介質(zhì)泄漏的問題，并且將37°、60°兩種規(guī)格的密封面結(jié)構(gòu)采用的錐形墊片進(jìn)行了系列化研究。通過工程實(shí)踐應(yīng)用錐形墊片，證實(shí)了錐形墊片能有效修復(fù)損傷的密封表面，解決泄漏問題。