一种金属空心O形圈的使用性能研究

廖红强，杨云斌，何飞

（中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳 621999）

0 引言

金属空心O形圈是一种在环境适应性方面具有独特优势的密封件。与橡胶密封方式相比，其具有强度高、刚度高、适应温度范围广、适应压力范围大、抗老化的优异性能[1]。但是，其刚度高、强度高的特点却在装配使用方面产生了一些不利之处，比如：使装配过程费力、费时，第一次使用后易产生明显塑性变形导致回弹量小，对反复拆装重复使用的密封性能造成影响等等。

针对某放射性产品的密封容器设计，其密封结构要求考虑一定高温环境下的密封能力，因此最初选择了金属空心O形圈方案。本文基于该放射性产品的密封容器所使用的金属空心O形圈开展使用性能研究，对使用过程中会面临的装配使用性能、重复使用性能问题从理论分析与试验的角度开展研究，所得结论对金属空心O形圈的设计选型及其密封结构的设计具有实际参考意义。

1 金属空心O形圈密封结构设计基础

金属空心O形圈是靠加载预紧后圈的弹性变形所产生的回弹力，使密封面上产生一定的应力，此应力使圈表面的材料屈服，用以填补密封面上微小的凹凸不平，使圈和密封槽的密封面严密贴合，从而达到使圈和槽实现弹性线接触静密封的目的[2]。常用材料包括铝、碳钢和不锈钢，根据操作介质、压力和温度等进行选择[3]。为了提高密封效果和耐腐蚀能力，通常在金属管壁喷涂或电镀厚度为0.03～0.10 mm的相对于基体材料较软的金、银或铜等高延展性补偿镀层[4]。

金属空心O形圈有3种型式：非自紧式、自紧式和充气式。“非自紧式”是通过密封结构的两个主密封面（密封槽的两个端面）和一个次密封面（密封槽外柱面或内柱面）将其压缩产生的回弹力使之与密封面紧密贴合达到密封效果[3]。“自紧式”是在管子上钻若干小孔，使管子内腔与密封腔体连通，从而使两者的压力相同，以具有自紧密封效果[3]。“充气式”是在管子内充有惰性气体，在使用工况下管内的压力随着温度的上升而升高，极大地增加了其回弹力[3]。

2 金属空心O形圈及其密封结构设计

2.1 结构型式设计

在某放射性产品的密封容器设计中，考虑所装介质的放射性、腐蚀性，以及可能经历高温工况等因素，选择应用金属空心O形圈进行密封。所设计的金属空心O形圈及其密封结构型式如图1所示。

图1 金属密封圈及其密封结构示意图

2.2 金属密封圈设计选型

根据使用条件确定的金属密封圈的截面直径d、管子壁厚Δ、外环直径Dw、表面镀层材料及厚度δ如表1所示。

表1 金属密封圈设计参数表

2.3 密封槽结构尺寸计算

在金属空心O形圈设计选型基础上，计算确定密封槽主要结构尺寸。

1）矩形槽深度T。

合适的回弹力可保证金属空心O形圈具有较好的密封效果，而其大小主要取决于金属空心O形圈的压扁度λ[3]。所谓压扁度，即密封结构装配到位后金属空心O形圈的压扁程度。文献[3]采用压缩后的量比压缩前的量来度量，文献[2]采用压缩的量比压缩前的量来度量，本文计算选择前者，按文献[3]中压扁度的定义为λ=（Tδ）/d。

压扁度的取值一般为0.60～0.75[3]，此处取λ=0.75，再取δ=0.05 mm，代入压扁度定义式计算可得：T=4.81 mm，上、下偏差取±0.01 mm。

2）矩形槽外径D1。

本密封容器按承受内压设计，由金属空心O形圈外侧表面与矩形槽外环表面形成密封面，密封圈的内侧表面与矩形槽内环表面留出间隙。

按文献[3]、[5]，矩形槽外径D1按下式计算：

将各已知量代入上式可得D1=628.90 mm，上、下偏差取±0.05 mm。

3）矩形槽内径D2。

按文献[2]、[5]，矩形槽内径D2按下式计算：

将各已知量代入上式可得D2≤613.49 mm，考虑到加工与检验等因素，圆整取值D2=611 mm，上、下偏差取±0.05 mm。

3 装配使用性能研究

3.1 影响因素分析

金属空心O形圈的装配与橡胶密封圈有较大的区别，主要是因为两者力学性能的差异。金属空心O形圈具有较高的强度和刚度，在装配压缩过程中需要施加较大的载荷，且尽量分步加载，使压缩量逐步增加，以防止快速加载导致损坏，直到密封面贴合到位。因此，影响金属空心O形圈强度与刚度的因素对其装配使用性能均有影响。

由金属空心O形圈的结构特点可知，截面直径、壁厚、O形圈环径3个结构参数，以及其压缩量（由压扁度决定）为影响装配使用性能的主要因素，其次还有圈内、外侧与槽的间隙等因素。

除了上述主要因素，还有密封容器的内外压差等使用条件因素，非本文研究重点，后续不再讨论。

3.2 装配加载试验

本文所设计密封容器通过36件M16螺钉将容器盖与体连接，螺钉的拧紧力矩，即装配时需施加的载荷，可通过下式[3]及轴向力与拧紧力矩转换方法计算求得：

式中：Dm为空心圈平均外径，cm；p为密封容器内外压力差，MPa；q为空心圈用管材线密封比压，N/cm。

参数q的取值在文献[2]、[5]中均有部分数据，但均是给出较大的范围，对于本文空心圈规格尚无较准确数据，因此，此处的拧紧力矩主要根据经验取值50 N·m。

表2、表3分别给出了两种加载历程，容器盖与体最终均贴合到位，其中4个位置为在圆周方向均匀选取的4个部位。另外，为优化装配加载步骤，在不增大最终拧紧力矩值的前提下，还按图2所示步骤进行过多次加载，结果最后一步均需要10圈左右才能装配加载到位。

表2 密封容器装配加载历程1

表3 密封容器装配加载历程2

图2 改进后的装配加载步骤

3.3 加载结果分析

由加载过程及表2、表3数据可见，金属空心O形圈的装配是一个逐步慢速压缩变形的过程，同一拧紧力矩加载次数增加使变形量增加的现象说明，金属空心O形圈在不断产生屈服导致的塑性变形。因此金属空心O形圈装配到位后的变形量同时包括弹性变形和塑性变形，并且装配加载试验后的分解检测情况及文献[5]所列各种管材的弹性回弹量均反映出弹性变形量较少，大部分均为塑性变形量。

3.4 优化改进思路

考虑该密封容器有装配耗时指标要求，需优化改进其金属空心O形圈及密封结构，缩短装配加载所用时间。改进思路包括：选取截面直径更小、管子壁厚更小的金属空心O形圈，以减小密封圈的强度和刚度；增大密封圈内、外侧与槽的间隙，以减小压缩变形后径向的约束力。

4 重复使用性能研究

利用所设计的金属空心O形圈开展该密封容器的密封性能试验。采用真空氦检漏技术检测该密封容器的整体漏率。试验表明，所设计金属空心O形圈第二次使用比首次使用该密封容器的整体漏率上升了两个数量级，密封容器明显漏气。再结合首次使用后分解时金属空心O形圈弹性回弹量很小，发生了很大塑性变形的情况分析，初步判断所设计金属空心O形圈不具备重复使用的能力、适合应用于长期不拆卸的密封环节。

5 结论

1）基于参考文献内容，简要介绍了金属空心O形圈及其密封结构的设计基础知识，可以为入门设计人员提供一些参考信息。

2）从结构型式设计和结构尺寸计算两个方面介绍了实际应用中的一种金属空心O形圈及其密封结构的设计过程，可以作为设计参考。

3）通过理论分析与试验研究，得出影响金属空心O形圈装配使用性能的主要因素（截面直径、管子壁厚、O形圈环径及压缩量），提出了改进所设计金属空心O形圈装配使用性能的思路。

4）简要介绍了基于所设计的金属空心O形圈开展重复使用性能研究的情况，初步得出其不具备重复使用能力、适合应用于长期不拆卸的密封环节的结论。