典型异型金属密封的特点及应用

廖传军 王道连 王洪锐 张 翼 满 满

(北京宇航系统工程研究所 北京 100076)

典型异型金属密封的特点及应用

廖传军 王道连 王洪锐 张 翼 满 满

(北京宇航系统工程研究所 北京 100076)

阐述了金属密封的密封机理，指出其密封性能主要受密封结构材料、密封表面质量、密封面宽度、密封比压以及密封表面镀层等因素的影响。介绍了已在工业生产中广泛应用的典型异型金属密封的结构特点、材料、镀层及适用工况，包括金属空心O形圈、金属C形密封环、金属E形密封环、金属U形密封环、金属W形密封环等。

金属密封 密封机理 低温 高温 高压

1 引言

新一代运载火箭对密封材料及结构提出了新的挑战，如耐温度范围要求达到80—600 K，超低温下密封漏率要求更低，而目前所使用的铟丝等密封很难同时满足这些条件［1］。已在航空、航天、石油、核电等工业领域广泛应用的异型金属密封，如金属空心O形圈、金属C形密封环、金属E形密封环等，能适用于低温、高温、高压、高真空、辐射、强酸、强碱及强腐蚀等恶劣工作条件，可用于其它密封形式难以满足要求的场合。不同的金属密封因结构、成型工艺及表面技术等方面的差异，具有各自的特性及适用条件，本文主要介绍其典型型式的结构特点及适用工况。

2 密封机理及影响因素

2.1 密封机理

异型金属密封的密封机理与金属密封垫相似，密封圈预紧变形后产生较大回弹力，在接触面上所产生的接触应力使密封圈表面发生屈服，表面材料的塑性流动填充了密封面上微观的凹凸不平，从而消除接触面之间的泄漏通道，实现介质的密封要求。

金属密封的微观密封过程如图1所示，接触面上未施加载荷时，只有密封表面的微凸体发生接触，接触面之间存有大量的微观泄漏通道，如图1a所示;随着载荷的增加，微凸体的接触数量和变形程度均增加，接触表面材料开始产生塑性变形并彼此嵌入;随着载荷的进一步增加，金属密封的密封面产生明显屈服，其材料的塑性流动填充了接触面之间的微观缝隙，达到可以阻止介质泄漏的程度，如图1b所示［1］。

图1 金属密封微观密封过程示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of microscopic sealing process of metal seal

2.2 密封性能的影响因素

金属密封的密封性能主要受密封结构材料性能、密封表面质量、密封面宽度、密封比压及密封面镀层等因素的影响。

2.2.1 密封表面质量

金属密封件密封面的表面质量与其粗糙度、刀痕形状及不连续状态等多种因素有关。表面粗糙度大，密封表面的塑性变形不足以填满泄漏通道，从而引起密封介质泄漏，因此，密封表面粗糙度需达到一定程度才能实现密封要求。对于机加成型的金属密封，其密封表面的加工痕迹可能有单向、多向、径向、周向等多种走向，其中圆周形刀痕有利于密封。如密封表面存在凹坑、刻痕及磨损等不连续状态，必然引起密封介质的泄漏，因此不允许其存在。

2.2.2 密封面宽度

密封面宽度越大，则流体泄漏所需通过的路径越长，流阻损失也越大，因而有利于密封。但在相同的压紧力下，密封面宽度越大，则密封比压将减小。因此，需要合理地选择密封面宽度。

2.2.3 密封比压

密封比压的大小直接影响金属密封件的密封可靠性，在外界条件相同的情况下，密封比压过小则不足以提供足够的接触应力，容易引起泄漏，密封比压过大则会引起密封件损坏，因此需保证合适的密封比压。

2.2.4 密封表面镀层

为提高密封效果和耐腐蚀能力，一般在金属密封面上电镀或喷涂高延伸性的补偿涂层材料，如银、铝、铜等。软金属层在密封面的微观表面挤压过程中更容易发生塑性变形并将密封面上的缺陷填平，不仅有利于改善密封性能，而且可减少基体结构使用中的压缩量，对提高金属密封件的回弹性、使用寿命及抗应力松弛能力等有着重要作用。

3 典型异型金属密封的特点及应用

3.1 金属空心O形圈

金属空心O形圈耐高温、耐腐蚀、气密性好，适用于低温、高温、高压及高真空密封的场合，其工作温度为-250—650℃，最高工作压力已达280 MPa，最大的密封直径为 6 000 mm［2］。

金属空心O形圈的横截面示意图如图2所示，有非自紧式、自紧式和充气式3种结构型式:非自紧式金属空心O形圈一般用于操作压力小于7.0 MPa的密封场合，可密封真空介质及有腐蚀性的液体或气体;自紧式空心O形圈的环管上钻有若干小孔，由于管内压力与介质的内压相同，所以具有自紧性能，适用于高压及超高压场合，一般可以用于操作温度在200—600℃、操作压力在7.0—280 MPa的工况。充气式金属空心O形圈的环管内充有惰性气体，工况条件下管内压力随着温度的上升而升高，极大的增加了其回弹力，高温下管材强度的降低也得到有效补偿，适用于高温场合，一般使用温度为 400—600 ℃［3］。

图2 金属空心O形圈的横截面示意图Fig.2 Diagrammatic sketch of cross-section for metal O-ring seal

通常根据操作介质、压力和温度等条件选用金属空心O形圈材料，不同温度下金属空心O形圈的常用材料如表1所示［4］，不同温度下金属空心O形圈的常用镀层材料如表2所示［5］。

表1 不同温度下金属空心O形圈常用材料Table 1 Major materials of metal O-ring seal at different temperatures

表2 不同温度下金属空心O形圈的常用镀层材料Table 2 Major materials of coating for metal O-ring seal at different temperatures

3.2 金属C形密封环

金属C形密封环也称Helicoflex环，由弹性件和软金属包覆的套管组成，依靠弹性件获得良好的回弹性和必要的密封比压，依靠软金属包覆套管获得良好的密封接触表面，达到密封效果［6］。

金属C形密封环的横截面形状如图3所示，按开口朝向分为内压式和外压式，开口朝向被密封介质侧为内压式，否则为外压式。金属C形密封环具有和开孔型金属O形圈同样的自紧作用，并且允许较大的变形，有重量轻、使用安全、拆装方便等特点，其最高工作温度为649℃，最高工作压力已达60 MPa［6-8］。

图3 金属C形密封环的横截面示意图Fig.3 Diagrammatic sketch of cross-section for metal C-sealing ring

金属C形密封环在法国核工业领域应用广泛，其90万千瓦、130万千瓦、150万千瓦级压水堆核电站以及法马通在国外建造的核电站压力容器钧采用双道金属C形密封环密封，密封环内芯采用InconelX-750合金螺旋弹簧，套管材料为Inconel-60l合金，包覆软金属银层。另外环内芯弹簧也可选用hlgiloy耐蚀游丝合金、套管材料也可选用InconelX-750，表层可以镀金、镍、镉以及包覆铝等［6］。

3.3 金属E形密封环

金属E形密封环的横截面示意图如图4所示，可根据大位移补偿量及耐受高压的需要设计成多波及多层的结构。金属E形密封环同样具有自密封性能，在密封紧固件松动时，可以通过气体压力实现自动密封补偿，但其能承受的压缩载荷比较小，因此泄漏量高于金属C形密封环，而且通过电镀和涂层的方法并不能降低泄漏量，只能减小运行过程中材料的磨损［9］。

图4 金属E形密封环的横截面示意图Fig.4 Diagrammatic sketch of cross-section for metal E-sealing ring

金属E形密封环主要用于高压振动及大体积腔室形变补偿，如气体涡轮发动机的机架密封、燃料喷嘴密封等［9-10］。

3.4 金属U形密封环

金属U形密封环的横截面示意图如图5所示，一般由两层金属材料组成，其末端卷曲部分的上端为密封面，使用时卷曲部分的背侧在高压侧、开口侧在低压侧。可以通过调整金属U形密封环每层材料的类型、厚度、径向尺寸，以及材料层数、表面软金属镀层材料等，以适应不同的使用要求。

图5 金属U形密封环的横截面示意图Fig.5 Diagrammatic sketch of the cross-section of the metal U-sealing ring

金属U形密封环主要有以下特点:其弹簧刚度较小且允许较大的弹性变形，因此具有较大的变形范围;所储存的应变能较大，可较好地适应法兰变形、偏斜以及较大的局部变形，如分别用于管路通径φ1.5、φ3.5的金属U形密封环，法兰的周向不平整度允许高达每线性英寸0.011、0.018;所需的压缩力较小，有着较好的抗疲劳松弛能力，已有金属U形密封环经过了20万次的疲劳试验考核。金属U形密封环的常用材料有 Inconel718、Waspaloy、Haynes214、Haynes188、Haynes242、Rene41、Incoloy909 以及其它适用的高温合金［11］。

3.5 金属W形密封环

金属W形密封环是一种轴向自紧式静密封元件，具有回弹性能好、吸振能力强及变形范围大等特点，其横截面示意图如图6所示，现主要用于航空发动机等密封场合，如采用镍基高温合金材料GH4169，其工作温度可达600℃以上，表面可镀金、银、聚四氟乙烯等。

3.6 其它异型金属密封

多种异型金属密封应用于液体推进剂发动机，其中用于轴向密封和径向密封的金属密封件的横截面形状、材料、适用工况及镀层材料等分别如表3和表4所示，表中Ds表示密封件外径。

表3 用于轴向密封的金属密封Table 3 Metal seals applied for axial seal

表4 用于径向密封的金属密封Table 4 Metal seals applied for radial seal

4 结论

异型金属密封因其较强的耐低温、高温、高压及强腐蚀等特性，而广泛应用于航空、航天、核工业等极端工况的密封场合。不同结构、成型工艺及表面镀层技术的金属密封有着不同特点，在其产品选用时应充分考虑工况条件、介质特性、动载载荷、温循状态，以及漏率、寿命和材料匹配要求等。

中国金属密封的研制起步较晚、产品种类较少、生产工艺相对薄弱，国内工业生产所使用的高参数金属密封主要依赖进口，因此，需加快异型金属密封的研制进度及产品化。

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199-204.

Features and applications of typical non-conventional type metal seals

Liao Chuanjun Wang Daolian Wang HongruiZhang YiMan Man

(Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076，China)

The sealing mechanism of the metal seal was represented，the key factors that influence the sealing performance of the metal seal were described，including the structural material，quality of sealing surface，breadth of sealing surface，sealing pressure and coating of sealing surface.The characteristics of some typical non-conventional type metal seals were introduced，such as design feature，material，coating and applied working conditions which were used widely in industries.The metal O-ring seal，metal C-sealing ring，metal E-sealing ring，metal U-sealing ring and metal W-sealing ring etc were represented mainly.

metal seal;sealing mechanism;low temperature;high temperature;high pressure

TB657、TB66

A

1000-6516(2014)04-0055-06

2013-12-20;

2014-02-27

国家自然科学基金资助项目(51305040)。

廖传军，男，35岁，博士、工程师。