常潔 李小琪 余晨帆 陳同祥

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

密封技術(shù)在石油化工、航天航空、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中有著至關(guān)重要的地位,一旦出現(xiàn)密封失效,輕則浪費(fèi)能源、機(jī)械故障,重則直接危害人身安全。密封技術(shù)涉及材料學(xué)、摩擦學(xué)、動(dòng)力學(xué)等多個(gè)學(xué)科,與設(shè)計(jì)、工藝、過(guò)程控制密切相關(guān)。隨著科技水平的進(jìn)步,對(duì)密封問(wèn)題的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入,各行業(yè)學(xué)者在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力分析、驗(yàn)證等方面都開(kāi)展了研究[1-7],也針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、作動(dòng)筒、泵等典型產(chǎn)品的密封失效問(wèn)題進(jìn)行了分析[8-15],提高了密封設(shè)計(jì)的可靠性。而針對(duì)載人航天器密封失效的研究尚不多。

航天領(lǐng)域,尤其是載人航天器密封艙結(jié)構(gòu),密封的重要性更是不言而喻:艙體氣密性直接關(guān)系到航天員的生命安全和整個(gè)載人航天器平臺(tái)的安全。載人航天器密封結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:①密封艙外始終是真空狀態(tài),密封結(jié)構(gòu)需要保證0.1MPa壓差下的氣密密封,屬于真空低壓密封;②在軌工作時(shí),其遭受的溫度環(huán)境也始終處于變化之中,一般可達(dá)±50℃,還需承受空間輻照等;③對(duì)泄漏指標(biāo)要求要求高,對(duì)整個(gè)載人航天器密封結(jié)構(gòu)的泄漏量要求一般要小于0.01Pam3/s,折合到密封環(huán)節(jié)的要求為單位長(zhǎng)度漏率小于1×10-5Pam3/s;④對(duì)密封可靠性和壽命要求高,在軌工作時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾年甚至十幾年,一般在軌都無(wú)法維修和更換,必須保證一次到位。以上特點(diǎn)也決定了載人航天器密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性和特殊性。

本文結(jié)合實(shí)例,開(kāi)展了載人航天器中典型的橡膠密封結(jié)構(gòu)的失效分析工作,運(yùn)用仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證手段對(duì)失效機(jī)理進(jìn)行剖析,提出了不同使用部位、不同使用條件下的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范。

1 典型靜密封結(jié)構(gòu)失效分析

典型靜密封結(jié)構(gòu)由密封圈和金屬密封法蘭壓緊裝配而成。氣體通過(guò)密封結(jié)構(gòu)泄漏的方式有3種,如圖1所示。一般情況下,材料放氣和氣體滲透的量相對(duì)較小,單位長(zhǎng)度泄漏量小于1×10-5Pam3/s,主要的泄漏還是通過(guò)密封圈與金屬法蘭面之間的縫隙產(chǎn)生泄漏。

密封件與被連接件之間的密封接觸應(yīng)力越大、接觸面寬度越寬,氣體通過(guò)界面泄漏越困難,密封效果也越好。反之,若密封界面接觸力不足就會(huì)導(dǎo)致密封失效。

1.1 設(shè)計(jì)壓縮不當(dāng)失效

壓縮率是橡膠密封結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)參數(shù),當(dāng)壓縮率偏小、壓縮量不足時(shí),無(wú)法在密封面形成有效的氣體泄漏阻隔“屏障”,將直接導(dǎo)致密封泄漏。不同的部位要求壓縮率各不相同。對(duì)于航天器密封艙結(jié)構(gòu)而言,一般要求設(shè)計(jì)名義壓縮率不低于25%。壓縮率低導(dǎo)致密封失效的原因顯而易見(jiàn),在此不再討論。本文主要討論另外一種有可能導(dǎo)致密封失效的原因——壓縮率過(guò)大。

選取截面直徑Φ6mm的O形密封圈分別在25%壓縮率和40%壓縮率下分別開(kāi)展了高溫加速老化試驗(yàn),試驗(yàn)條件為200℃、4天,模擬密封圈在軌工作15年的狀態(tài)。

試驗(yàn)后對(duì)密封圈截面高度進(jìn)行了測(cè)試,25%壓縮率下的永久變形量為0.7mm,40%壓縮率下的永久變形量為1.0mm,如圖2所示。說(shuō)明壓縮率越大,密封圈內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆變形的占比越大。

圖2 密封圈在不同壓縮率下老化后的永久變形情況Fig.2 Permanent deformation of sealing rings after aging at different compression rates

將兩種密封圈從密封槽取出、將其截面放在電子顯微鏡下觀察,放大6倍,得到兩種壓縮率下老化后的表面形貌。在25%壓縮率下,老化后材料無(wú)損傷,如圖3(a)所示。而在40%壓縮率下,密封圈局部出現(xiàn)材料脫落現(xiàn)象,如圖3(b)所示,這將影響到密封圈的正常使用。

圖3 密封圈老化后表面形貌Fig.3 Appearance of aging seal ring

同時(shí)對(duì)密封圈的受力分析發(fā)現(xiàn),在40%壓縮率下,老化前后最大接觸應(yīng)力下降78.2%,遠(yuǎn)大于25%壓縮率下的最大接觸應(yīng)力下降值31.8%。

表1 不同壓縮率下密封圈老化前后的最大接觸應(yīng)力Table 1 Maximum contact stress of sealing ring after aging at different compression rates MPa

分析其產(chǎn)生的原因:橡膠分子鏈段之間、各交聯(lián)大分子之間通過(guò)化學(xué)鍵作用而最終形成復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),在過(guò)大壓縮率下分子內(nèi)部往往承受著非常大的機(jī)械應(yīng)力。在這種情況之下,橡膠結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生如下變化:①分子內(nèi)部產(chǎn)生了大的應(yīng)力梯度,分子鏈有可能在力的作用下直接發(fā)生機(jī)械斷裂,或者是發(fā)生分解或重排。②機(jī)械應(yīng)力作用于分子鍵中原子的價(jià)力,使其減弱,從而使氧化反應(yīng)的活化能降低,從而加速了材料在氧氣中的老化。

因此,針對(duì)靜密封壓縮率設(shè)計(jì),需要注意以下幾點(diǎn)。

(1)設(shè)計(jì)壓縮率需要在一個(gè)合適的范圍,壓縮過(guò)小會(huì)引起密封失效;壓縮過(guò)大在初始狀態(tài)會(huì)達(dá)到良好的密封效果,但從長(zhǎng)時(shí)間使用的角度來(lái)說(shuō),會(huì)加速密封圈的老化,反而不利于密封。一般情況下,O形壓縮率不應(yīng)大于40%。

(2)壓縮率只是一個(gè)宏觀的表征,不同形狀密封圈在相同壓縮率下的應(yīng)力并不相同。應(yīng)對(duì)密封圈開(kāi)展應(yīng)力分析,根據(jù)應(yīng)力情況選擇壓縮量。

1.2 低溫泄漏失效

橡膠材料的彈性受溫度因素影響較大,低溫時(shí)橡膠材料變“硬”,彈性逐步降低。最典型的失效案例發(fā)生在1986年,美國(guó)“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)在起飛73s后,由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)裝配接頭密封泄漏、導(dǎo)致推進(jìn)劑燃燒爆炸,造成機(jī)毀人亡的重大事故。

經(jīng)分析,當(dāng)時(shí)發(fā)射場(chǎng)溫度接近零度,氟橡膠密封圈在低溫下收縮,彈性降低。用有限元分析軟件對(duì)密封圈進(jìn)行的有限元分析表明,在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)密封面上單位長(zhǎng)度的接觸壓力只有初始狀態(tài)的60%,說(shuō)明低溫下密封接觸壓力不夠?qū)е铝诵孤16]。

后對(duì)該處密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),增大密封壓縮量,增加了密封冗余環(huán)節(jié),工作狀態(tài)下的密封間隙由原來(lái)的0.56mm減小到0.228mm,極大提高了密封可靠性,如圖4所示。改進(jìn)后的“奮進(jìn)號(hào)”航天飛機(jī)于1992年5月圓滿完成了飛行任務(wù)。

圖4 針對(duì)低溫泄漏的密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)Fig.4 Improved design of sealing structure for leakage at low temperature

橡膠密封結(jié)構(gòu)的密封性能隨溫度變化關(guān)系較為復(fù)雜,在地面試驗(yàn)時(shí),應(yīng)確保環(huán)境條件完全覆蓋產(chǎn)品實(shí)際工作狀態(tài),驗(yàn)證充分后才能確保密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的使用可靠性。

通過(guò)對(duì)低溫泄漏的案例進(jìn)行分析,可總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn):

(1)溫度對(duì)高分子材料影響較大,重要部位應(yīng)采用密封冗余設(shè)計(jì)并有一定的裕度;

(2)橡膠材料的熱膨脹系數(shù)比金屬法蘭要高10倍以上,同時(shí)低溫下材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也會(huì)發(fā)生改變,這些都會(huì)影響橡膠密封圈在低溫下的應(yīng)力狀態(tài)。

2 典型動(dòng)密封結(jié)構(gòu)失效分析

動(dòng)密封結(jié)構(gòu)失效一般發(fā)生在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,主要表現(xiàn)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞磨損破壞、密封面長(zhǎng)期靜止后再次啟動(dòng)時(shí)的粘滯破壞和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓縮量不足導(dǎo)致密封泄漏等形式。

2.1 疲勞磨損失效

橡膠材料的強(qiáng)度相對(duì)于金屬法蘭來(lái)說(shuō)偏低,在壓縮變形過(guò)程中也容易產(chǎn)生強(qiáng)度破壞失效。在動(dòng)密封結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中,橡膠密封圈反復(fù)受到擠壓,與金屬低周疲勞破壞類似,若變形過(guò)程中應(yīng)力過(guò)大、在一定工作次數(shù)后,橡膠圈會(huì)出現(xiàn)疲勞破損現(xiàn)象。

某艙門(mén)產(chǎn)品密封圈在軌需要經(jīng)歷1000次往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)過(guò)程中,從400次左右開(kāi)始,密封件表面出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的磨損,且隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加,密封件破壞現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重,最終狀態(tài)見(jiàn)圖5,密封面已經(jīng)完全磨損破壞,失去密封能力[17]。

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程的受力分析,變形及應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 改進(jìn)前后的密封圈壓縮狀態(tài)Fig.6 Comparison on seals compression before and after design improvement

由分析計(jì)算結(jié)果可知,改進(jìn)前密封圈在工作過(guò)程中,最大剪切應(yīng)力達(dá)到4.12MPa,接近該種橡膠材料強(qiáng)度值5MPa,在每次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,在大應(yīng)力作用下,橡膠材料分子鏈段都會(huì)產(chǎn)生一定程度、且不可恢復(fù)的變形,累計(jì)到一定次數(shù)后,就會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞現(xiàn)象。

根據(jù)密封圈變形情況,對(duì)產(chǎn)生局部應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì):將密封槽根部加倒角,釋放密封圈的變形空間。改進(jìn)后,密封件的最大米塞斯應(yīng)力降低一半,剪切應(yīng)力降低70%,見(jiàn)表2,應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯改善。改進(jìn)后的產(chǎn)品完成了1000次的疲勞試驗(yàn)。

表2 改進(jìn)前后密封圈力學(xué)分析結(jié)果Table 2 Mechanical analysis results of sealing rings before and after design improvement

從本案例中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)有:①動(dòng)密封設(shè)計(jì)應(yīng)校核密封圈在使用過(guò)程中的最大載荷,尤其是剪切應(yīng)力,一般應(yīng)比其強(qiáng)度值小50%左右,這樣才能保證不產(chǎn)生疲勞破壞。②除密封圈截面形狀外,密封槽尺寸對(duì)動(dòng)密封影響也極為關(guān)鍵。

2.2 粘附失效

載人航天器中存在較多的穿艙動(dòng)密封部件,這些部件大多為手動(dòng)形式,特點(diǎn)是在整個(gè)任務(wù)期間,只是間歇?jiǎng)幼?大部分時(shí)間都處于靜止?fàn)顟B(tài)。

橡膠密封圈在使用過(guò)程中一直與金屬法蘭緊密接觸,經(jīng)歷一段時(shí)間后,兩者之間會(huì)發(fā)生一定的物理或化學(xué)反應(yīng),一個(gè)主要的表象是兩者之間發(fā)生一定程度的粘附效應(yīng)[18-19],影響接觸面的狀態(tài)。這種粘附效應(yīng)發(fā)生在接觸面表面,會(huì)增加密封圈與金屬密封面之間的結(jié)合力,不影響靜密封,但是對(duì)動(dòng)密封而言,會(huì)影響兩者的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)力/力矩。

對(duì)某動(dòng)密封穿艙部件進(jìn)行模擬長(zhǎng)期壓縮后的轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)過(guò)程為:將鋁合金(5A06)法蘭裝配件和不銹鋼(1Cr18Ni9)法蘭密封圈裝配件在放入高溫烘箱中進(jìn)行烘烤,設(shè)置烘烤溫度為200℃、4天(模擬15年的長(zhǎng)期壓縮)后從烘箱中取出,觀察兩種之間是否存在粘附現(xiàn)象。如圖7所示,試驗(yàn)檢查發(fā)現(xiàn):密封圈與不銹鋼法蘭出現(xiàn)了粘附,兩者之間無(wú)法相互運(yùn)動(dòng),并有部分橡膠材料殘留在法蘭上;而鋁合金法蘭未發(fā)生粘附和橡膠材料殘留,密封圈表面狀態(tài)良好。

圖7 密封圈粘附試驗(yàn)Fig.7 Adhesion test results

對(duì)兩者法蘭材料的表面特性進(jìn)行了分析,通過(guò)接觸角的測(cè)試計(jì)算其表面能。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同金屬材料表面接觸角測(cè)試Table 3 Contact Angle test and surface energy results

測(cè)試結(jié)果得出,不銹鋼金屬表面能大,也說(shuō)明表面吸附的羥基等極性基團(tuán)較多,極性基團(tuán)在時(shí)間和溫度因素影響下,能與硅橡膠表面游離的羥基形成氫鍵,甚至產(chǎn)生化學(xué)作用,形成更強(qiáng)的化學(xué)鍵(圖8,圖9)。

圖8 橡膠與金屬之間的氫鍵形成過(guò)程Fig.8 Hydrogenbongding formation between rubber

圖9 橡膠與金屬之間的化學(xué)鍵形成過(guò)程Fig.9 Bond formation between rubber and metal

通過(guò)對(duì)粘附現(xiàn)象產(chǎn)生的原因分析,對(duì)于此種長(zhǎng)期處于靜止?fàn)顟B(tài)的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)形式,防止粘附失效產(chǎn)生有以下幾個(gè)措施。

(1)定期轉(zhuǎn)動(dòng),破壞轉(zhuǎn)動(dòng)件之間形成的粘附狀態(tài)。

(2)在密封圈表面涂覆潤(rùn)滑膜層,阻止橡膠表面游離的極性分子與外界相互作用。

(3)選用密封配合面材料時(shí),盡量選擇表面能較低的鋁合金金屬材料作為轉(zhuǎn)動(dòng)部件,若需選用不銹鋼,在使用時(shí)應(yīng)采取鈍化處理等表面處理方式以降低其表面能。

2.3 局部壓縮不足失效

名義壓縮率為名義壓縮量/密封圈初始高度,若局部壓縮量不足,也會(huì)導(dǎo)致密封失效。

某閥體結(jié)構(gòu)相對(duì)與閥芯進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),在閥體壓緊到位后,預(yù)先安裝在閥芯密封槽中的密封圈被壓縮變形,產(chǎn)生回彈力實(shí)現(xiàn)密封。在進(jìn)行熱真空環(huán)境試驗(yàn)時(shí),該處出現(xiàn)了密封泄漏現(xiàn)象。拆解后檢查,在密封圈底部出現(xiàn)擠壓痕跡。

經(jīng)分析,該處泄漏產(chǎn)生的原因是在閥芯結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)設(shè)置的倒角過(guò)大。在閥體向下運(yùn)動(dòng)時(shí),密封圈被壓縮后,部分材料被擠壓到閥芯與閥體之間的縫隙中,直接導(dǎo)致壓縮量不足,見(jiàn)圖10。經(jīng)仿真分析,如表4所示,由于壓縮不到位,上表面的密封接觸應(yīng)力2.68MPa,遠(yuǎn)小于下方接觸應(yīng)力4.77MPa,且受擠壓部位的剪切應(yīng)力也較大。

表4 改進(jìn)前后應(yīng)力分析結(jié)果Table 4 Mechanical analysis results before and after design improvement

圖10 改進(jìn)前閥體運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.10 The valve body movement process before improvement

改進(jìn)后的密封圈變形如圖11所示,變形較為均勻,上下密封面的接觸應(yīng)力一致,剪切應(yīng)力也比之前結(jié)構(gòu)小37%。閥體結(jié)構(gòu)的密封性順利通過(guò)了熱試驗(yàn)考核。

圖11 改進(jìn)后閥體壓縮狀態(tài)Fig.11 Valve body compression after improvement

通過(guò)對(duì)此種類型的動(dòng)密封失效產(chǎn)生的原因分析,可總結(jié)以下經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

(1)在金屬密封面避免局部倒角等,以致影響密封的名義壓縮率。

(2)在設(shè)計(jì)時(shí),盡量保證密封圈被均勻壓縮,不出現(xiàn)較大的局部擠壓變形情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析載人航天器密封結(jié)構(gòu)幾種典型的密封失效案例,得出以下結(jié)論:

(1)影響密封性能的因素有橡膠密封圈材料、壓縮量、使用溫度、相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等,這些因素在不同部位、不同環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生不同的密封效果,應(yīng)具體問(wèn)題具體分析;

(2)在眾多因素中,密封圈與密封配合面狀態(tài)十分關(guān)鍵,尤其是動(dòng)密封應(yīng)更要關(guān)注;

(3)絕大部分密封泄漏產(chǎn)生的原因都可以歸結(jié)為力學(xué)問(wèn)題,因此加強(qiáng)對(duì)密封結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析校核工作,是提高密封性能的關(guān)鍵。

載人航天器要求的壽命越來(lái)越高,應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越多,后續(xù)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作可從以下幾方面進(jìn)行開(kāi)展:針對(duì)復(fù)雜、極端環(huán)境下的長(zhǎng)壽命密封結(jié)構(gòu)加強(qiáng)失效分析,考慮各種環(huán)境因素的綜合影響,提出失效對(duì)策;將結(jié)構(gòu)失效分析與材料失效分析相互結(jié)合,牽引高性能密封材料的開(kāi)發(fā),從設(shè)計(jì)源頭提高密封結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的固有可靠性。