一、密封機理
SF6氣體通過密封環(huán)節(jié)滲到產(chǎn)品殼體外部的現(xiàn)象稱為泄漏。泄漏分為兩種:穿透O形橡膠密封圈的泄漏和通過密封接觸面的泄漏。前者與橡膠材質(zhì)有關(guān),其泄漏量與后者相比,通常很小。而造成接觸面的泄漏的原因,一是接觸面有間隙,二是密封圈兩側(cè)有壓差。
O形密封圈借助壓緊變形后的橡膠彈力F使密封圈和密封面互相靠緊,而產(chǎn)品內(nèi)的SF6氣壓P0在密封圈作用力F0, F0分解后在密封圈上形成一個與密封面垂直的法向力F0’,此力使密封面和密封圈分離,F與F0’的合力稱為密封力。由于溫度變化,F值常隨溫度下降而變小,由于密封面表面狀況的非均勻性,或者密封圈壓縮量設(shè)計的不合理,都可能導(dǎo)致在常溫或低溫時在密封圈某點或某段出現(xiàn)密封力為零甚至小于零,而導(dǎo)致密封圈與密封面在微觀上分離,出現(xiàn)SF6泄漏。
二、影響密封泄漏量的因素
密封圈壓縮率的 影響
減小O形圈與法蘭分離間隙和增大O形圈與法蘭接觸環(huán)面寬是減小泄漏的最重要的因素。當(dāng)壓差P0一定時,增大密封圈的壓縮率(即增大彈性力F)就能減小分離間隙,直至間隙為零。但是,密封圈的壓縮率不能太大,否則會造成壓縮永久變形,使密封圈使用壽命下降。
合理的O形圈壓縮率
密封面材質(zhì) | 壓縮率(%) | |
靜密封 | 金屬-金屬法蘭 | 25 |
瓷件-金屬法蘭 | 30 | |
動密封 | 金屬軸-金屬套 |
密封面表面粗糙度的影響
早期設(shè)計曾流行“越光越好”的概念,因此密封面車好后再滾擠壓加工,以獲得近于鏡面的效果。后試驗結(jié)果反復(fù)證實,用車(鏜)刀加工的密封面上,刀痕形成的同心圓,在合適的表面粗糙度(3.2-6.3)范圍內(nèi)對氣密性有利。
如圖(a)所示,密封面太光,得不到同心圓刀紋的“阻力”作用,氣密性不令人滿意。
如圖(b)所示,在表面粗糙度3.2-6.3范圍內(nèi),橡膠圈與密封面彌合良好,同心圓刀紋增大了SF6泄漏通道的距離,即O形圈與法蘭接觸環(huán)面寬增大,泄漏量變小。
如圖(c)所示,表面粗糙度超過12.5時,O形圈與密封面接觸不良,易漏氣。
密封槽形的影響
密封槽一般取矩形,當(dāng)矩形槽布置很困難時,也可用三角形槽。法蘭密封面因切削加工平面度的影響或焊接變形的影響,裝配好后的兩法蘭面間在微觀上總存在一定的間隙,在氣壓P0的作用下,橡膠圈可能被擠入該縫隙,在密封槽內(nèi)、外圓的上棱倒圓角,可保護密封圈不被夾角剪壞,密封槽的下圓也倒圓角,可以減輕密封圈在氣壓作用下過分擠入槽根產(chǎn)生永久變形的可能性。
槽寬應(yīng)大于O形圈線徑,并且密封槽截面積應(yīng)不小于O形圈截面積,使槽留有足夠的空間,O形圈裝好后,只產(chǎn)生變形而不出現(xiàn)體積壓縮,也就是使O形圈的受壓側(cè)與密封槽非密封面?zhèn)缺3忠欢ǖ拈g隙。密封圈在工作時如果出現(xiàn)體積壓縮,就會明顯增大壓縮永久變形,縮短使用壽命。
密封圈材質(zhì)的影響
兩個主要的橡膠性能:
1.橡膠硬度應(yīng)適中(70左右)。硬度不宜太高,否則密封圈和密封面之間很難獲得良好的彌合性。硬度也不宜太低,否則接觸壓力(密封力)不足,也不能獲得良好的密封性能。
2.壓縮永久變形。要求在使用的溫度范圍內(nèi)其壓變低于20%,并有良好的密封性能
生產(chǎn)管理水平的影響
主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
1.原材料:按技術(shù)要求控制質(zhì)量,妥善保管,謹防變質(zhì)。
2.加工:嚴格執(zhí)行圖紙和工藝規(guī)程要求,按圖按工藝檢驗。
3.保管:包裝規(guī)范,謹防碰撞劃傷和雨水侵蝕。
4.組裝:發(fā)現(xiàn)密封面損傷件拒裝。仔細清理,確保產(chǎn)品清潔度,按圖按工藝要求裝配。
三、靜密封設(shè)計
O形密封圈外徑和線徑的配合
根據(jù)使用經(jīng)驗,O形圈直徑和線徑的配合見下表:
O形密封圈線徑(mm) | O形密封圈外徑可選范圍(mm) | O形密封圈線徑(mm) | O形密封圈外徑可選范圍(mm) |
1.9 | <14 | 5.7 | 60~300 |
2.4 | 16~26 | 8.4 | 200~600 |
3.5 | 28~56 | 10 | 600~1500 |
密封圈材質(zhì)的選用
丁腈橡膠密封圈:適用于油系介質(zhì)中適用。是目前用途最廣、成本最低的橡膠密封件。耐磨損能力強,不適用于極性溶劑中。
硅橡膠密封圈:具有極佳的耐熱、耐寒、耐臭氧、耐老化性能,有很好的絕緣性能。但抗拉強度差且不具耐油性。適用于家用電器的密封需求。
氟橡膠密封圈:有極佳的耐高溫性、耐臭氧性、和耐化學(xué)性,耐寒性不良。適用于柴油發(fā)動機、燃料系統(tǒng)及化工廠的密封需求。
天然橡膠密封圈:具有很好的耐磨性、彈性、扯斷強度及伸長率。但在空氣中易老化,在礦物油或汽油中易膨脹和溶解,耐堿但不耐強酸。適用于在汽車剎車系統(tǒng)或有氫氧根離子的液體中適用。
三元乙丙橡膠密封圈:具有很好的耐老化性、耐腐蝕性、耐熱性、電絕緣性能優(yōu)異、彈性好,但不耐油。廣泛應(yīng)用在GIS設(shè)備密封系統(tǒng)中。
密封圈技術(shù)要求
1.無氣泡、缺料、劃傷。
2.密封圈模具表面粗糙度不低于0.8
3.修凈合模飛邊,不允許劃傷工作表面
4.橡膠硬度要求:低壓16MPa以下邵氏硬度70左右,中壓16-32MPa邵氏硬度80左右,高壓32MPa 以上邵氏硬度90左右
密封槽設(shè)計
壓縮率K值一般取18%~25%,以保證有足夠的壓縮量。當(dāng)O形圈線徑d較小時應(yīng)取較大的K值,較大時應(yīng)取較小的K值。
K=(d-h)/d
壓縮率過大,會使密封圈產(chǎn)生永久變形,促使老化,縮短使用壽命;壓縮率過小,初始接觸壓力太小,容易造成泄漏。因此必須控制O形圈線徑和槽溝深度h的公差,以便控制最大、最小的壓縮率。
Kmax=(dmax-hmin)/d≤30%
Kmin =(dmin-hmax)/d≥10%
槽寬b:根據(jù)密封原理,密封圈受壓時必須有足夠的形變空間,以保證較長時間的密封性能。因此密封槽的截面積一定要大于或等于O形圈的截面積。
即b*h≥(πd2)/4 一般取b=(1.3~1.5)d
槽內(nèi)外徑:橡膠密封件在工作狀態(tài)時應(yīng)處于壓縮狀態(tài),若處于拉伸狀態(tài),會加速橡膠老化,縮短使用壽命。因此在設(shè)計槽溝內(nèi)外徑時應(yīng)按下列原則
1.當(dāng)密封圈內(nèi)的壓力高于外壓力時,槽外徑D=O形圈外徑
2.當(dāng)密封圈內(nèi)的壓力低于外壓力時,槽內(nèi)徑d=O形圈內(nèi)徑
常規(guī)密封槽尺寸設(shè)計參考表
O形圈線徑d | b | h | R | r |
1.9 | 2.5+0.10 | 1.4+0.050 | ≤0.2 | ≤0.1 |
2.4 | 3.2+0.150 | 1.8+0.050 | ≤0.2 | ≤0.1 |
3.5 | 4.5+0.150 | 2.6+0.10 | ≤0.2 | ≤0.1 |
5.7 | 7.5+0.20 | 4.2+0.10 | ≤0.4 | ≤0.2 |
8.4 | 11+0.20 | 6.3+0.10 | ≤0.4 | ≤0.2 |
10 | 13.2+0.250 | 7.4+0.10 | ≤0.4 | ≤0.2 |
四、動密封設(shè)計
骨架油封密封系統(tǒng)
(1)在油封系統(tǒng)中廣泛使用的骨架油封,是一種唇形橡膠圈,內(nèi)設(shè)金屬骨架,有彈簧箍緊膠圈內(nèi)圓唇邊,動態(tài)密封良好。
(2)它的主要特點是:結(jié)構(gòu)簡單,尺寸不大,一圈一密封線(唇邊線)多圈重疊使用,密封可靠。
(3)一圈帶箍緊彈簧的唇邊朝向產(chǎn)品內(nèi)側(cè),一圈唇邊朝向大氣側(cè)。唇邊朝外的一圈在產(chǎn)品抽真空時發(fā)揮重要的密封作用。由于箍緊彈簧的作用,此圈在產(chǎn)品工作時對內(nèi)部SF6也有氣密性功能。
(4)主要用于轉(zhuǎn)動密封。
X形動密封圈設(shè)計
(1)結(jié)構(gòu)簡單
(2)密封可靠
(3)動摩擦阻力小
(4)主要用于直動密封和轉(zhuǎn)動密封
設(shè)計計算方法
先按上表選定軸徑D1及X密封圈高h1,然后按以下公式計算其他值:
X圈內(nèi)徑D2=D1-2fh1(壓縮率f也按上表選?。?/span>
X圈外徑D3=D2+2h1
X圈斷面尺寸、按上表選取
密封槽內(nèi)徑D5=D1+0.4
密封槽外徑D4=D3-0.3
密封槽寬h3按上表選取
公差設(shè)計D1-0.05 D2+0.15-0.15 D3+0.2 D4+0.08 D5+0.08
密封槽表面粗糙度3.2
密封圈橡膠硬度75
其他常用動密封結(jié)構(gòu)
磁流體動密封:在磁性流體技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的,當(dāng)磁流體注入磁場的間隙時,它可以充滿整個間隙,形成一種“液體的O形密封圈”。
波紋管密封:利用波紋管能壓縮能拉伸具有拉壓彈性的特點,使波紋管一端與移動端相連,另一端與固定不動端相連,構(gòu)成運動付。