铟丝密封件低温密封性能实验研究

刘姝娟 金 滔 汤 珂 沙 龙

(浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

铟丝密封件低温密封性能实验研究

刘姝娟 金 滔 汤 珂 沙 龙

(浙江大学制冷与低温研究所 杭州 310027)

针对铟丝密封件，采用法兰-密封件-螺栓密封结构对其进行密封性能的实验研究，测试系统的设计压力范围为0—10 MPa，设计温度为-196℃。基于实验测试结果，探讨了该密封结构的螺栓预紧力、工作压力及温度等与泄漏率之间的关系。

低温密封 铟丝 密封性能

1 引言

密封技术在航空航天、机械制造、石油化工等行业中的相关装备(例如高压、真空和液体管路等)中有着广泛的应用，且具有举足轻重的作用。由于密封结构的性能直接关系到相关设备的安全、可靠运行，无论从基础研究或是技术实现的角度都受到了很多关注，也已形成一些相应的技术规范［1-2］。

法兰密封以其方便的可拆卸性而被广泛运用于流体密封中，如液氮冷管的连接密封等［3］。低温系统中的密封结构与常温系统相比有很大的差别，这是由于材料在低温环境下的物性与常温下迥异，会出现热胀冷缩、低温脆性、材料微观结构上的相变，甚至会与相关流体发生物理乃至化学作用(例如氢脆)等现象。综合考虑材料的物性及低温条件的影响，一些软金属可被用于制成低温下应用的密封圈，较常见的有铟、铝、银、镍和无氧铜等。

由于软金属在低温密封中较广泛的应用，前人对其密封特性也已有一些相关的研究和总结。文献［4］在液氮、液氦温度下对5种纯金属和4种法兰行了结构密封性能试验，不过并未给出泄漏率与工作压力之间的关系。文献［5］和文献［6］中采用铟丝作为密封件，获得了良好的密封效果，但对采用铟丝密封件的装置在不同工况下，其螺栓预紧力、工作压力和低温环境等因素对泄漏率有何影响的规律性规范少有研究。本研究拟采用某环境模拟器中的液氮冷管法兰密封结构，针对铟丝密封件，研究常温和低温下密封结构的螺栓预紧力、工作压力与泄漏率之间的关系。

2 法兰密封性能测试方法及装置

2.1 实验对象和目的

研究对象是法兰-铟密封件-螺栓密封结构(图1中的被检法兰部分)，目的在于测取螺栓预紧力、工作压力、温度和泄漏率，探寻相互之间的规律。

图1 法兰-铟密封件-螺栓密封结构示意图Fig.1 Schematic diagram of flange-seal component-bolt structure

设计实验温度分别为常温和低温(-196℃)2个温度位，被检法兰的设计工作压力为0—10 MPa。考虑到高压和低温这两个因素，选择氦气作为测试系统内的充压气体。一方面是由于在液氮温区氦气不会发生液化，不会燃爆;其次由于氦气的分子直径小，渗透性较强，适合作为检漏介质。为此，可以采用氦质谱检漏仪对系统的密封特性进行检测，实验过程中只要对被检法兰密封结构进行充压，外部设置一个检漏腔连接至氦质谱检漏仪，即能测得被检法兰密封结构的泄漏率。

2.2 螺栓预紧力的测量方法

为保证在螺栓拧紧的过程中预紧力在各颗螺栓上(共8颗)均衡分布，采用了应变片电桥法对螺栓预紧力进行测量和控制。在被检法兰的螺杆上粘贴应变片，并接入如图2所示的电桥，即可测得相应的应变值。考虑到螺栓的实际预紧过程并非理想的单轴拉伸，存在弯矩的影响，于是采用串联贴片法，而且贴片位置选择两个对面(见图2)，从而确保更准确地测得螺栓的轴向力。

图2 应变片法测螺栓应变示意图Fig.2 Schematic diagram of bridge circuit and schematic of strain gauge

应变片A和B是两片相同规格的应变片(RA=RB)。螺栓预紧时，应变片A的电阻变化为ΔRA=ΔRz(轴向应变)+ΔRw(弯曲应变)，同样地，应变片B的电阻变化为ΔRB=ΔRz-ΔRw。若不采用串联贴片，则所测螺栓的应变为 εA=(ΔRz+ΔRw)/RA或εB=(ΔRz-ΔRw)/RA，显然，弯曲应变 ΔRw对准确测取螺栓的轴向应变有很大的影响。在采用串联贴片时，应变片A和应变片B的平均应变值为(εA+εB)/2=［(ΔRz+ΔRw)/RA+(ΔRz-ΔRw)/RB］/2=ΔRz/RA，从计算公式中可以看出，这个平均值可以消除弯曲应变。根据惠斯通电桥原理，电桥所测得的桥路R4应变值为 ε4=［(ΔRz+ΔRw)+(ΔRz-ΔRw)］/(RA+RB)= ΔRz/RA，由此，ε4=(εA+ εB)/2，即为 2个应变片所测应变值的平均，就得到消除了弯曲应变影响的螺栓轴向应变值。根据F=AEε=AEε4(A为螺栓横截面积，E为螺栓材料的弹性模量，ε为螺栓轴向应变值)，便可计算出螺栓的预紧力。下文所提的预紧力均是指一颗螺栓上的预紧力值。

2.3 法兰密封性能测试装置

法兰密封性能测试装置如图3所示，主要由以下部分组成:(1)氦气源，用于对被检法兰密封结构的充气腔充入不同压力的氦气;(2)氦质谱检漏仪，用于定量检测出密封结构的泄漏率;(3)低温装置部分(常温实验中不需要)，用于提供低温环境;(4)被检法兰密封结构试件和检漏腔;(5)真空系统，在检漏之前对充气腔进行抽空;(6)数据采集系统，采集充气腔的工作压力值、温度值和螺栓应变片应变值;(7)放气系统，实验结束后将充气腔中的高压氦气排空。

3 实验结果与分析

由于密封结构的泄漏所涉因素众多，要全面考虑各方因素将使研究过程过于复杂，本文将主要探究在常温和液氮温区低温两种条件下，螺栓预紧力、工作压力与泄漏率之间的关系。

3.1 常温下密封性能实验结果与分析

图3 法兰-铟密封件-螺栓密封结构密封性能测试装置示意图Fig.3 Schematic diagram of test system for flange-seal component-bolt structure

为便于比较，首先开展了在常温条件下的泄漏率测试实验。在不同的预紧力下，通过改变工作压力，测得法兰铟丝密封结构常温下不同预紧力的工作压力-泄漏率曲线(图4)。需要特别说明的是，图4中用星号表示的点表示该点泄漏率超出了氦质谱检漏仪量程的最大值9.8×10-6Pa·m3/s，表明系统内已出现比较严重的泄漏。图4右上角给出了预紧力为3 096 N时工作压力-泄漏率曲线的局部放大图。

图4 常温下不同预紧力的工作压力-泄漏率曲线Fig.4 Dependence of leakage rate on working pressure with various pre-tightening forces at room temperature

由图4可以看出，在常温条件下，法兰-铟密封件-螺栓密封结构随着工作压力的不断增大，泄漏率曲线存在着突然泄漏的点(即泄漏率从10-11Pa·m3/s突然增大至10-6Pa·m3/s)。泄漏率突然达到10-6Pa·m3/s时所对应的工作压力称为该预紧力下的临界压力。当工作压力低于临界压力时，密封结构密封性能良好，泄漏率均在10-11Pa·m3/s左右波动;而当工作高于等于临界压力时，密封结构的密封性能已变得很差，泄漏率大于10-6Pa·m3/s。

根据图4的实验结果，还可以给出泄漏的预紧力-临界压力关系图(若密封结构突然泄漏时所测得的泄漏率会超出质谱仪量程，则取该超量程的点所对应的工作压力为临界压力)，如图5所示。从该图可以发现，临界压力随着预紧力的增加而升高，并且两者基本上呈较好的线性关系。

图5 常温下预紧力-临界压力变化关系图Fig.5 Critical pressure and pre-tightening force relation at room temperature

3.2 低温下密封性能实验结果与分析

在上述常温测试的基础上，同样在不同预紧力下，通过改变工作压力，开展了低温下(-196℃)的泄漏率测试实验。图6给出了法兰-铟密封件-螺栓密封结构在低温下不同预紧力的工作压力-泄漏率曲线。

图6 低温下不同预紧力的工作压力-泄漏率曲线Fig.6 Dependence of leakage rate on working pressure with various pre-tightening forces at cryogenic temperature

低温下的密封性能实验结果图6与常温下的规律基本一致，也同样存在着某一预紧力下的泄漏临界压力点。由于实验系统的设计工作压力为0—10 MPa，所以图6的结果显示，在1 548、2 322和3 096 N的预紧力下，当工作压力达到9.5 MPa左右时，密封结构还没有发生泄漏，这表示在这3个预紧力下，泄漏的临界压力均高于9.5 MPa。

同样，作出低温下泄漏的预紧力-临界压力关系图，如图7所示。为了便于发现规律，临界压力高于9.5 MPa的也在图7中标出。从图7可以发现，临界压力低于9.5 MPa的点，与预紧力之间同样存在着线性关系。若按照此线性关系推断预紧力大于1 548 N的临界压力，则可发现临界压力的值超出实验系统的最大压力10 MPa，也进一步确定了所得实验规律的可靠性。

图7 低温下预紧力-临界压力变化关系图Fig.7 Critical pressure and pre-tightening force relation at cryogenic temperature

3.3 常温与低温下实验结果对比

对比图4和图6可以发现，在常温和低温下该密封结构的泄漏规律基本一致，均呈现泄漏率突然增加的情况。对比图5和图7还可发现，相同的预紧力下，低温下的临界压力高于常温下的值，这也间接说明本实验所采用的法兰-铟密封件-螺栓密封结构在低温下的密封性能优于常温。这可能是由于当温度下降，法兰密封结构发生冷缩，孔隙减小，阻力加大，因此漏率减小［7］，具体原因还有待进一步研究。

4 结论

经过对铟丝密封件在法兰-密封件-螺栓密封结构中的密封性能测试，探讨了该密封结构的螺栓预紧力、工作压力及温度等与泄漏率之间的关系，可以得到如下结论:

(1)不论是常温还是低温，法兰-铟密封件-螺栓密封结构的在某一预紧力下，随着工作压力的不断增大存在着泄漏临界压力点。

(2)常温和低温下，临界压力与螺栓预紧力之间存在着较好的线性关系，这有助于我们根据具体工况估算出常温和低温下该结构所需的螺栓最小预紧力。同样可以针对更多的常用密封结构，用本实验设计的实验系统测出多套数据，为工程应用提供参考。

(3)相同的螺栓预紧力下，该结构在低温下的密封性能优于常温，这也验证了文献中对铟密封件在低温下良好密封性能的描述。

1 American Society of Mechanical Engineers.Boiler and pressure vessel code section VIII division I［C］，New York:American Society of Mechanical Engineers，2010.

2 顾伯勤，李新华.静密封设计技术［M］.北京:中国标准出版社，2004.

3 龚 洁，裴一飞，郄殿福，等.空间环境模拟器内液氮冷管密封技术［J］.航天器环境工程，2005，22(3):168-174.

4 雒惠云.法兰密封的低温试验研究［J］.真空与低温，2004(1):58-62.

5 Stewart Jr M D，Koutroulakis G，Kalechofsky N，et al.A reusable lowprofile，cryogenic wire seal［J］.Cryogenics，2010;50(1):50-51.

6 Sharma R，Singh M，Sonara D，et al.Development and testing of vacuum compatible seal at cryogenic temperature［J］.Bulletin of Indian Vacuum Society，2007，10(3):9-12.

7 张建可，徐玉渭，冀勇夫，等.高压低温密封试验研究—部分试验结果讨论及理论分析［J］.低温工程，1997，95:49-52.

Experimental study on the performance of cryogenic seal structure with indium

Liu Shujuan Jin Tao Tang Ke Sha Long

(Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China)

In order to improve the safety and stability of the seal structure in engineering applications.The flange-seal component-bolt structure was designed and fabricated to study the performance of indium seal in 0—10 MPa and at-196 ℃.The dependences of leakage rate on the pre-tightening force of bolts，working pressure and temperature were discussed，according to experimental results.

cryogenic seal;indium wire;sealing performance

TB657，TB66

A

1000-6516(2013)01-0007-04

2012-12-04;

2013-01-31

刘姝娟，女，25岁，硕士研究生。