針對航天管路系統中常用的球面密封結構，分析了其密封機理，討論了密封面的損壞導致介質泄漏的原因。該文以管路系統中常用的37°以及60°球面密封接頭為例，研制出相應的系列化錐形墊片。通過工程實踐將錐形墊片成功應用于球面密封結構解決泄漏問題，說明了其工程實用價值。

　　引言

　　球頭-錐面密封結構(簡稱“球面密封”)是航天管路系統中廣泛應用的一種靜密封結構，常用于DN32及其以下的管路、閥門、過濾器、減壓器等部件接頭連接。球面密封結構通過螺紋預緊，在密封面上形成線密封達到防止介質泄漏的目的，具有密封性能好，拆卸方便的特點。然而，球面密封結構密封面的損傷容易造成介質泄漏，也是目前普遍存在的問題。

1、球面密封概念

　　1.1、密封原理

　　圖1為球頭-錐面密封結構示意圖，球頭和喇叭口錐面在外套螺母擰緊之前為線密封，當施加擰緊力矩之后，球頭和錐面發生彈塑性變形，使得球頭和錐面之間形成一個環狀密封面。相關研究表明，要想保證球頭-錐面密封結構的密封特性，需要從以下幾點考慮：

　　(1)球頭-錐面表面的粗糙度影響密封面的漏率，需保證接觸面的加工質量；

　　(2)球頭-錐面進行接頭連接時，充分保證球頭與錐面的軸向對正，使得接觸面應力分布合理；

　　(3)相對較大的擰緊力會獲得相對較寬的密封面和較大的平均接觸應力，增強密封效果。但是，當擰緊力過大，由于應力松弛會造成密封面大范圍屈服，長期使用容易形成泄漏。

圖1 球頭-錐面密封結構示意圖

　　1.2、密封面泄漏原因分析

　　根據球面密封結構工程實踐應用，球面密封損傷會造成介質的泄漏，有以下幾方面的原因：

　　(1)密封面有固體顆粒雜質，對密封面的劃傷；

　　(2)裝配過程中，擰緊力過大，使得接觸面發生塑性變形；

　　(3)裝配過程中，球面-錐面不對正，受力不均，密封面局部損傷；

　　(4)接頭經常拆卸，密封面的磨損。

2、錐形墊片的設計

　　2.1、結構設計

　　由于球頭-錐面密封接觸面的損傷，造成介質泄漏，不得不對球頭-錐面連接件進行更換，導致整根管路或者是整個閥門等部件的重新制作和更換，浪費了大量的資源，也需要相當長的制作周期。

　　錐形墊片是與錐面相貼合的軟質薄墊片，當錐形墊片安裝到球頭-錐面之間后，在擰緊力的作用下，球頭與墊片、墊片與錐面之間各自形成新的密封。并且，由于墊片材質較軟，錐形墊片可以適應損傷密封面凸峰和凹谷的緊密接觸，阻止介質泄漏。如圖2所示。

圖2 錐形墊片安裝圖

　　2.2、材料選擇

　　一般，球頭-錐面接頭為06Cr19Ni10不銹鋼材料。使用錐形墊片，為了使得接頭在受力擰緊的情況下，能夠填補損傷的密封面，需選用相對較軟的材料加工。因此，選擇鋁棒1035 或者退火狀態的銅棒T2 加工而成。

3、錐形墊片的系列化

　　3.1、基本結構尺寸

　　根據球頭-錐面密封結構錐角度數的大小，可分為α=37°和α=60°接頭密封形式。其中，37°球面密封結構應用于公稱壓力35MPa以下的管路系統，60°球面密封結構應用于公稱壓力23MPa以下的管路系統。設計錐形墊片的厚度為1mm，端部尺寸D、d 以及長度尺寸l 需要根據密封接頭的尺寸確定，大端尺寸D 與錐面的大端內徑一致；小端尺寸d 的內徑與錐面小端內徑一致；保證錐形墊片的錐角與接頭的錐角一致，計算得到長度尺寸l。為了保證密封效果，墊片內外表面的粗糙度要達到Ra1.6。

圖3 錐形墊片尺寸圖

　　3.2、不同錐角墊片的系列化

　　1)37°錐形墊片

　　根據球頭-錐面密封接頭的通徑規格，可以把α=37°的錐形墊片分為DN4、DN6、DN8、DN10、DN15、DN20、DN25、DN32共8個系列。其規格和相關尺寸如表1所示。

　　2)60°錐形墊片

　　根據球頭-錐面密封接頭的通徑規格，可以把α=60°的錐形墊片分為DN4、DN6、DN8、DN10、DN12、DN14、DN16、DN18、DN20DN22、DN25、DN28、DN30、DN32、DN35 共15 個系列。其規格和相關尺寸如表2所示。

表1 錐形墊片系列(α=37°)

表2 錐形墊片系列(α=60°)

　　3.3、制作加工

　　圖4 為采用鋁棒加工而成的部分規格錐形鋁墊片。1號為DN4，2號為DN6，3號為DN8，4號為DN10，錐角為60°的錐形墊片。

圖4 錐形墊片實物圖

　　5號為DN4，6號為DN6，7號為DN8，8號為DN10，9號為DN15，10號為DN20，11號為DN25，錐角為37°的錐形墊片。

4、工程應用

　　某供氣系統涉及DN15、DN20、DN25、DN32四種規格的管路，系統最高工作壓力25MPa，閥門、過濾器、減壓閥以及管路接頭采用的是37°球頭密封結構。由于長期使用，發現壓力表有壓降現象。于是對系統重新進行氣密性檢驗，結果表明：DN20有4處泄漏點，DN25有5處泄漏點。對接頭拆開發現密封面有損傷，采取表面涂抹航天專用密封脂重新安裝，只有2處DN20泄漏點得到解決。由于管路安裝位置不容易重新更換，最終采取加工安裝了37°錐形鋁墊片。重新氣密檢測，剩余泄漏點修復完好，系統無壓降。

　　由此可見，錐形密封墊片在快速修復球頭-錐面密封結構，解決介質泄漏方面有著重要的應用前景。

5、結論

　　本文對球頭-錐面密封結構的密封原理進行了介紹，并進一步分析了造成密封面泄漏的原因。通過設計錐形墊片結構解決介質泄漏的問題，并且將37°、60°兩種規格的密封面結構采用的錐形墊片進行了系列化研究。通過工程實踐應用錐形墊片，證實了錐形墊片能有效修復損傷的密封表面，解決泄漏問題。