馮春宇，徐國釗，徐明軍，安毅洪，李正濤，齊 軍，劉漢廣

（1.西南石油大學(xué) 機電工程學(xué)院，成都 610500；2.中國石油塔里木油田公司，新疆庫爾勒 841000；3.中國石油化工股份有限公司 江漢油田分公司，湖北潛江 433124）

0 引言

金屬密封在航空航天、化工、核能等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1-6]。金屬密封的密封原理簡單，便于實現(xiàn)，但金屬密封往往容易失效，失效的原因也是多種多樣。由于金屬密封面之間存在著擠壓和相對運動，甚至密封面之間進(jìn)入固體雜質(zhì)，導(dǎo)致黏著磨損與磨粒磨損以至密封面失效[7]，電化學(xué)腐蝕與氣體腐蝕也會導(dǎo)致密封面失效，密封面一旦失效將導(dǎo)致嚴(yán)重的安全隱患。因此，探究影響金屬平面密封性能的因素對工程實際具有重要的指導(dǎo)意義。

在金屬密封技術(shù)方面，國內(nèi)外都進(jìn)行了深入的研究，并取得了許多進(jìn)展。2014年，李玉婷等[8]基于ABAQUS軟件分析了厚度、截面寬度、腿部厚度和圓弧半徑等設(shè)計變量對U形環(huán)的最大米塞斯應(yīng)力、接觸壓力和接觸寬度的影響，并給出了提高密封性能的建議。2015年，DING[9]以W形金屬密封圈為研究對象，研究了改變結(jié)構(gòu)參數(shù)時其力學(xué)性能響應(yīng)，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，找到了最合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)值。邢敏杰[10]通過建立的W形密封環(huán)的有限元模型，分析了不同工況下結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能（如應(yīng)力、剛度等）的影響，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，建立了相應(yīng)的泄漏模型，分析了泄漏量。2016年，KIM等[11]針對傳統(tǒng)的O形金屬密封環(huán)回彈能力低的問題，對O形金屬密封環(huán)進(jìn)行了形狀拓?fù)鋬?yōu)化，并基于優(yōu)化結(jié)果對O形金屬密封環(huán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計后的O形環(huán)具有更高的回彈能力。

以上研究工作主要對常見的金屬密封元件進(jìn)行分析，但是關(guān)于平面對平面的金屬密封研究較少，而金屬平面密封在石油、水利、車輛工程等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。且結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)。

為此，本文針對金屬平面密封設(shè)計試驗裝置對不同粗糙度的金屬密封面進(jìn)行試驗研究，以探索不同粗糙度情況下密封所需壓力的規(guī)律，并探究了不同潤滑脂對金屬平面氣密封性能的影響。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗原理

為了探究表面粗糙度和密封脂黏度對金屬平面氣密封性能的影響規(guī)律，本文設(shè)計了金屬平面密封試驗裝置，通過手動液壓泵向試驗裝置提供密封所需的端面比壓，空氣壓縮機用于提供試驗裝置內(nèi)部氣壓，并將試驗裝置放置于水中以便觀察是否有氣體泄漏，如圖1所示。

圖1 金屬密封試驗原理Fig.1 Schematic diagram of metal sealing experiment

1.2 試驗裝置設(shè)計

為了探索金屬密封面在滿足密封時所需要的接觸應(yīng)力，本文根據(jù)金屬平面密封原理設(shè)計了活塞缸式試驗裝置，如圖2所示。活塞缸上部設(shè)計密封溝槽并與內(nèi)閥座相連接，活塞底部打入液壓，側(cè)邊打入氣壓。為了保證試驗裝置的安全性，本文將采用螺紋壓帽的形式以降低工裝頂部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。試驗裝置的工作原理為在閥體底部打入液壓，在活塞處打入氣壓。直至試驗裝置發(fā)生泄漏，測試金屬密封面（圖2中內(nèi)閥座與閘板接觸面處）的密封性能，并找出試驗裝置泄漏的臨界壓力值，探究金屬密封規(guī)律。

圖2 金屬密封試驗裝置剖面Fig.2 Section of metal sealing experimental device

本文所設(shè)計試驗裝置的閥體、活塞以及螺紋壓帽將全部選擇材料42CrMo。該材料有良好的力學(xué)性能，其屈服強度可達(dá)到930 MPa。由于同種材料螺紋會出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，將螺紋壓帽進(jìn)行QPQ處理。閥座與閘板將選擇Inconel 718材料進(jìn)行設(shè)計，Inconel 718合金是含鈮、鉬的沉淀硬化型鎳鉻鐵合金，在650 ℃以下時具有高強度、良好的韌性以及在高低溫環(huán)境均具有耐腐蝕性[12-15]。

1.3 試驗材料制備

金屬表面粗糙度測量有比較法、印模法、觸針法、干涉法以及光切法等5種測量方法[16]。本文使用觸針法對金屬密封面粗糙度進(jìn)行測量，其利用針尖式金剛石觸頭在內(nèi)閥座金屬密封面上進(jìn)行滑動，金剛石觸頭上下位移量由儀器上所帶有的長度傳感器轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過放大等一系列步驟，顯示出金屬密封面粗糙度。試驗數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同金屬密封面粗糙度測量Fig.3 Roughness measurement of different metal sealing surfaces

分別對3種不同粗糙度平面進(jìn)行檢驗，各5組試點進(jìn)行測量，并最終取平均值。測得第1種金屬密封面粗糙度為Ra0.03 μm，第2種金屬密封面粗糙度為Ra0.415 μm，第3組金屬密封面粗糙度為Ra0.774 μm。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 不同粗糙度金屬平面氣密封試驗

本試驗裝置底部活塞液壓等級為2～14 MPa，并在活塞側(cè)面打入氣壓，以研究粗糙度對金屬平面密封的影響。不同粗糙度的閘板以及內(nèi)閥座依次裝入試驗裝置中進(jìn)行此次試驗，將金屬密封試驗裝置按圖1依次進(jìn)行安裝，并將丁晴橡膠O形圈安裝于工裝的活塞密封槽處，安裝內(nèi)閥座，如圖4所示。試驗裝置底部與手動液壓泵相連接，而側(cè)邊活塞側(cè)邊孔將與空壓機進(jìn)行連接，將其置于水中，試驗時觀察是否有氣泡產(chǎn)生。試驗測試裝置安裝到位后進(jìn)行金屬密封試驗。

圖4 試驗裝置內(nèi)閥座安裝示意Fig.4 Valve seat installation in the experimental device

試驗時現(xiàn)將手動液壓泵打壓至指定壓力后，開啟空壓機，以每兩分鐘一兆帕的緩慢速率增大氣壓，以保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。關(guān)注氣瓶上的壓力表以及工裝是否有氣泡產(chǎn)生。當(dāng)工裝剛剛開始冒氣泡時，迅速記錄氣瓶上壓力表壓力值，并關(guān)閉空壓機，通過觀察水中氣泡泄漏位置發(fā)現(xiàn)每次壓力試驗均由金屬端面泄漏。

由于最小接觸應(yīng)力試驗是在裝置底部打入液壓，液壓壓力P1作用在工裝活塞上，活塞上所受到的壓力F1作用于內(nèi)閥座上，而活塞內(nèi)部有氣壓P2充入，使得活塞端面受到氣壓向下的力F2，內(nèi)閥座上的壓力為F2-F1，并作用于閘板上，即內(nèi)閥座初始接觸應(yīng)力，以此分析工裝開始泄漏時的壓力。其具體受力如圖5所示。

圖5 試驗裝置受力分析Fig.5 Force analysis diagram of experimental device

活塞底部所受液壓壓力：

式中 F1——活塞底部加壓時所受的壓力，N；

R1——活塞底部端面半徑，m。

活塞頂部所受密封氣壓壓力：

式中 F2——活塞頂部加壓時所受的壓力，N；

R2——活塞頂部承受氣壓的半徑，m。

內(nèi)閥座受力：

式中 F3——內(nèi)閥座受力，N。

金屬密封接觸應(yīng)力：

式中 R3——閥座金屬密封面半徑，m。

對3種粗糙度的閘板以及內(nèi)閥座分別加液壓至 2，4，6，8，10，12，14 MPa 使金屬平面之間被壓緊，對試驗裝置左側(cè)外閥座加氣壓，測試試驗裝置泄漏時的臨界壓力，并計算出試驗裝置金屬密封面的臨界泄漏接觸應(yīng)力，隨后對試驗所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，尋找金屬平面密封面粗糙度影響密封性能的規(guī)律，擬合曲線如圖6所示。

圖6 不同粗糙度密封臨界壓力與試驗接觸應(yīng)力線性擬合Fig.6 Linear fitting between critical pressure of the seal with different roughness and experimental contact stress

粗糙度為Ra0.03 μm時試驗擬合公式：

其中決定系數(shù)R2（COD）為0.989。

粗糙度為Ra0.415 μm時試驗擬合公式：

其決定系數(shù)R2（COD）為0.932 67。

粗糙度為Ra0.774 μm時試驗擬合公式：

其決定系數(shù)R2（COD）為0.979 34。

平臺采用直接覆蓋采區(qū)酸性廢水處理廠底泥（厚度30cm）摻混“FKB液態(tài)菌劑”+直接植被的方法。底泥與改良基質(zhì)的配比為3∶1，按2株/m2的用量直接栽種喬灌木袋苗與撒播植物種子。

金屬平面氣密封臨界泄漏接觸應(yīng)力的大小在一定程度上反應(yīng)了密封性能的好壞。在相同氣壓等級下，試驗接觸應(yīng)力越小說明密封所需的密封比壓越小，密封性能也越可靠。

從圖6擬合的單一曲線可以看出，隨著金屬平面密封所受氣壓增大，試驗接觸應(yīng)力逐漸增大。所得擬合曲線的斜率值K則反映了粗糙度對密封性能的影響，斜率值K越小則說明金屬平面密封在受相同氣壓條件下的試驗接觸應(yīng)力越小，密封性能越可靠。粗糙度為Ra0.03 μm時試驗擬合公式K值為1.452 78，粗糙度為Ra0.415 μm時試驗擬合公式K值為12.176 04，粗糙度為Ra0.774 μm時試驗擬合公式K值為29.640 14。由此可見，隨著粗糙度增大，平面金屬密封能力也隨之降低。粗糙度Ra0.03 μm的金屬密封性能約為粗糙度Ra0.415 μm的金屬密封性能的8.4倍，粗糙度Ra0.415 μm的金屬密封性能約為粗糙度Ra0.774 μm的金屬密封性能的2.4倍。

根據(jù)圖6擬合曲線算出氣體壓力為140，100，60和20 MPa時3種不同粗糙度的臨界接觸應(yīng)力并進(jìn)行仿真曲線擬合，如圖7所示。

圖7 不同氣壓等級下粗糙度-臨界接觸應(yīng)力曲線擬合Fig.7 Roughness-critical contact stress curve fitting under different air pressure levels

不同粗糙度140 MPa氣壓等級下試驗接觸應(yīng)力擬合曲線為：

其決定系數(shù)R2（COD）為1。

不同粗糙度100 MPa氣壓等級下試驗接觸應(yīng)力擬合曲線為：

其決定系數(shù)R2（COD）為1。

其決定系數(shù)R2（COD）為1。

不同粗糙度20 MPa氣壓等級下試驗接觸應(yīng)力擬合曲線為：

其決定系數(shù)R2（COD）為1。

通過式（5）～（7）計算得出臨界泄漏接觸應(yīng)力，并擬合粗糙度—臨界接觸應(yīng)力曲線就可以計算出平面金屬材料在接觸應(yīng)力達(dá)到屈服極限時所需的粗糙度，金屬粗糙度等級必須優(yōu)于該計算所得粗糙度才可以實現(xiàn)金屬密封。以氣壓140，100，60，20 MPa為例，擬合上述4種氣壓等級下的粗糙度—臨界接觸應(yīng)力曲線如圖7所示?？赏ㄟ^式（8）～（11）計算出在氣壓 140，100，60，20 MPa等級下金屬達(dá)到屈服極限時對應(yīng)的粗糙度。從圖7中單曲線可以看出當(dāng)金屬密封表面粗糙度越小，接觸應(yīng)力減小速率減慢，金屬密封效果提升速率將逐漸變慢。當(dāng)金屬表面粗糙度減小，其制造成本增長速率將呈指數(shù)增加，因此選擇合適的粗糙度等級尤為重要。使用上述方法能計算出不同氣壓等級下所需的最小粗糙度，可為金屬粗糙度的選擇提供參考。

2.2 不同潤滑脂金屬平面氣密封試驗

在實際安裝時，金屬密封面通常會涂抹密封脂，并且許多閘板閥廠家會在閥腔中充滿密封脂。密封脂具有優(yōu)異的氣密性、潤滑性、化學(xué)和機械穩(wěn)定性，還具有良好的耐壓密封性。金屬密封面涂抹密封脂除了密封作用外還可以保護(hù)金屬密封面，延長金屬密封面的使用壽命[17]。金屬平面密封主要使用2種密封脂，一種是潤滑脂其相似黏度872 Pa·s；而另一種為工業(yè)上常用的黃油其相似黏度 235 Pa·s。

但是實際使用效果并沒有確切的研究結(jié)果，為此本節(jié)將對金屬密封面涂抹潤滑脂、接觸面間干密封以及黃油3組不同的材料進(jìn)行密封試驗研究，以確定合適金屬密封面密封脂材料。

在保證金屬密封面粗糙度一致的情況下，分別將2種不同的潤滑脂材料涂抹于試驗裝置金屬密封面上。在試驗開始泄漏時，金屬密封配件涂抹黃油以及潤滑脂的部分位置會發(fā)生流失的現(xiàn)象。同時在工裝泄壓的過程中2種材料會迸射出來。

涂抹密封脂的金屬密封面在泄壓時密封脂都會噴射出來，因此每次進(jìn)行完試驗均需要將工裝進(jìn)行重新拆裝，并重新涂抹密封脂進(jìn)行試驗。在保證試驗安全的情況下應(yīng)選取較大液壓以獲得較大臨界氣壓的試驗數(shù)據(jù)，較大的試驗數(shù)據(jù)便于觀察與對比。同時選取液壓在12 MPa情況下進(jìn)行多組試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 液壓為12 MPa時不同粗糙度下不同密封脂密封開始泄漏時臨界氣壓Tab.1 Critical air pressure when the seal using different sealing grease starts to leak under different roughness when the hydraulic pressure is 12 MPa

通過上表可以看出在未涂抹密封脂的情況下隨著粗糙度等級減小，金屬密封效果下降明顯，而涂抹黃油以及潤滑脂后金屬密封的密封效果提升效果巨大。而涂抹相似黏度為872 Pa·s潤滑脂的密封效果略優(yōu)于涂抹相似黏度235 Pa·s黃油時密封效果。潤滑脂的相似黏度為黃油相似黏度的約3.7倍，而二者臨界泄漏氣壓差距微小，由此可以看出金屬平面密封涂抹密封脂的相似黏度對密封效果的影響很小。

3 結(jié)論

（1）粗糙度增大，平面金屬密封能力也隨之降低。粗糙度Ra0.03 μm的金屬平面氣密封性能約為粗糙度Ra0.415 μm的金屬平面氣密封性能的8.4倍，粗糙度Ra0.415 μm的金屬平面氣密封性能約為粗糙度Ra0.774 μm的金屬平面氣密封性能的2.4倍。

（2）金屬密封試驗數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，隨著金屬密封表面粗糙度減小，接觸應(yīng)力減小速率減慢，金屬密封效果提升速率將逐漸變慢。

（3）對金屬密封面涂抹黃油以及密封脂進(jìn)行了液壓壓緊力為12 MPa的試驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種密封脂對金屬密封性能均有較為明顯的提高。相似黏度為872 Pa·s潤滑脂的密封效果略優(yōu)于相似黏度235 Pa·s黃油時密封效果，密封時涂抹的密封脂相似黏度對金屬平面密封的密封效果影響輕微。