铟丝密封件低温密封性能实验研究

　　1 引 言

　　密封技术在航空航天、机械制造、石油化工等行业中的相关装备( 例如高压、真空和液体管路等) 中有着广泛的应用，且具有举足轻重的作用。由于密封结构的性能直接关系到相关设备的安全、可靠运行，无论从基础研究或是技术实现的角度都受到了很多关注，也已形成一些相应的技术规范[1-2]。法兰密封以其方便的可拆卸性而被广泛运用于流体密封中，如液氮冷管的连接密封等[3]。低温系统中的密封结构与常温系统相比有很大的差别，这是由于材料在低温环境下的物性与常温下迥异，会出现热胀冷缩、低温脆性、材料微观结构上的相变，甚至会与相关流体发生物理乃至化学作用( 例如氢脆) 等现象。综合考虑材料的物性及低温条件的影响，一些软金属可被用于制成低温下应用的密封圈，较常见的有铟、铝、银、镍和无氧铜等。

　　由于软金属在低温密封中较广泛的应用，前人对其密封特性也已有一些相关的研究和总结。文献[4]在液氮、液氦温度下对5 种纯金属和4 种法兰行了结构密封性能试验，不过并未给出泄漏率与工作压力之间的关系。文献[5]和文献[6]中采用铟丝作为密封件，获得了良好的密封效果，但对采用铟丝密封件的装置在不同工况下，其螺栓预紧力、工作压力和低温环境等因素对泄漏率有何影响的规律性规范少有研究。本研究拟采用某环境模拟器中的液氮冷管法兰密封结构，针对铟丝密封件，研究常温和低温下密封结构的螺栓预紧力、工作压力与泄漏率之间的关系。

　　2 法兰密封性能测试方法及装置

　　2.1 实验对象和目的

　　研究对象是法兰-铟密封件-螺栓密封结构( 图1中的被检法兰部分) ，目的在于测取螺栓预紧力、工作压力、温度和泄漏率，探寻相互之间的规律。

　　设计实验温度分别为常温和低温(-196 ℃) 2个温度位，被检法兰的设计工作压力为0—10MPa。考虑到高压和低温这两个因素，选择氦气作为测试系统内的充压气体。一方面是由于在液氮温区氦气不会发生液化，不会燃爆; 其次由于氦气的分子直径小，渗透性较强，适合作为检漏介质。为此，可以采用氦质谱检漏仪对系统的密封特性进行检测，实验过程中只要对被检法兰密封结构进行充压，外部设置一个检漏腔连接至氦质谱检漏仪，即能测得被检法兰密封结构的泄漏率。

　　2.2 螺栓预紧力的测量方法

　　为保证在螺栓拧紧的过程中预紧力在各颗螺栓上(共8 颗) 均衡分布，采用了应变片电桥法对螺栓预紧力进行测量和控制。在被检法兰的螺杆上粘贴应变片，并接入如图2 所示的电桥，即可测得相应的应变值。考虑到螺栓的实际预紧过程并非理想的单轴拉伸，存在弯矩的影响，于是采用串联贴片法，而且贴片位置选择两个对面( 见图2) ，从而确保更准确地测得螺栓的轴向力。