超高真空法蘭常見的幾種金屬密封方法

靜密封 admin 未知

  真空密封從密封圈的材料來分主要有橡膠、聚四氟乙烯、聚氨酯等合成材料組成的密封以及金屬密封。

  橡膠、合成材料具有的高彈性、高耐磨性和適宜的機械強度等優點,使其廣泛應用于真空密封,但是因其具有較大的出氣率和滲透率,并且不能高溫烘烤、不耐輻射等特點,而受到應用限制。

  金屬密封則彌補了橡膠密封的以上缺點,因而廣泛應用于超高真空環境。對于超高真空,一般要求漏率小于1×10-11Pa·m3/s,為了更好的密封配合,一般要求法蘭密封面的粗糙度≤Ra0.8。由于金屬材料同樣具有一定的彈性以及延展性,所以常常作為各種真空以及壓力設備的密封。

密封圈被壓縮前后的形狀示意圖

圖1 密封圈被壓縮前后的形狀示意圖

  如圖1所示,在金屬密封圈受到外界壓力而發生彈性變形時,在彈性恢復力的作用下,密封圈具有恢復原始形狀的趨向,這種趨向填補了密封面的縫隙,從而起到密封的作用。

  應用金屬的彈性作為密封件的材料有:無氧銅、純鋁、金、銀等硬度相對較軟的金屬;某些金屬如金屬銦,因其具有很好的延展性,在受到外界壓力后可以向各個方向流動,填補密封面縫隙,同樣可以起到密封作用。

  無氧銅和純鋁價格相對便宜,常作為標準件密封圈使用。無氧銅密封圈在刀口法蘭(CF)中使用最廣,并且已形成國家標準,具體可參考標準GB/T6071-2003《超高真空法蘭》。

  下面主要介紹幾種經常應用于超高真空的金屬密封方法。

1、金屬銦絲密封

  金屬銦的莫氏硬度只有1.2,遠小于金屬銅2.5-3以及鋁2-2.9的莫氏硬度,熔點為156.6℃。較好的延展性使其非常有利于真空密封連接,在密封時將一段適合長度的銦絲布在法蘭表面,銦絲兩端搭接即可,不需要事先加工成標準的密封圈。所以常應用于法蘭尺寸較大,其它金屬密封圈不易加工的場合。

法蘭銦絲密封

圖2 法蘭銦絲密封

  根據法蘭尺寸大小,銦絲直徑可選取為1~2mm之間值。但因其熔點較低,烘烤溫度不能高于150℃。并且金屬銦具有很好的低溫性能,銦絲密封常常應用于低溫環境真空密封。但是銦絲被壓后容易流動,所以法蘭需要做成臺階或者凹槽型,如圖2所示,防止銦絲流入真空室。

2、全金屬快密封

  相對于常規螺栓緊固法蘭需要多套螺栓,卡箍只有兩個螺釘緊固,可以較快速地完成安裝,所以稱為快卸卡箍。

  全金屬快卸式密封主要由快卸卡箍,平面法蘭,密封圈組成密封系統,如圖3所示。

全金屬快卸式密封

圖3 全金屬快卸式密封

  快卸卡箍的軸向夾緊力較小,一般采用純鋁作為密封圈的材料,為降低卡箍的變形量,卡箍采用剛度較大的不銹鋼材料。快卸卡箍由多瓣夾具組成,隨著法蘭口徑增大,夾具數量隨之增加。并且隨著法蘭口徑增大,同樣螺釘緊固力的情況下,卡箍作用于軸向的夾緊力變小。因此,對于標稱口徑小于φ160的法蘭,全金屬快卸密封的密封性能較好。

  全金屬快卸密封不需要軸向螺釘固定,所以大大節省了軸向空間,并且螺釘數量小,安裝較快的特點,常應用于安裝空間狹小,又需要快速安裝的場合。例如高能加速器,在剛剛停機后存在一定劑量的輻射,為保護工作人員人身安全,需要快速完成安裝。全金屬快卸式密封在中國科學院高能物理研究所形成了所內的試用標準,已經較為廣泛地應用于多臺加速器的真空密封連接。

3、全金屬快卸與銦絲組合式密封

  銦絲密封法蘭為了在安裝前能夠更好地安裝銦絲,常需要在法蘭上做出一個肩環或凹槽,如上圖2所示。并且,由于銦絲較軟,在安裝時需要較大的操作空間,全金屬快卸密封常常由于軸向夾緊力不足,導致容易出現小漏率的問題。

  本節所講的組合式密封,繼承了銦絲較軟以及全金屬快卸密封可以應用于狹小空間安裝的優點,在全金屬密封圈的密封面外側加裝銦絲,可解決全金屬快卸密封夾緊力不足而導致漏氣的問題,其結構如圖4所示。

全金屬快卸與銦絲組合式密封

圖4 全金屬快卸與銦絲組合式密封

  這種密封結構相當于延長了氣體泄漏的路徑,大大降低了泄漏通道流導。并且,銦絲處于金屬密封圈外側,這樣可降低因高溫導致銦絲熔化流入真空室的風險,提高系統可靠性。

4、彈簧蓄能Helicoflex密封

  彈簧蓄能密封圈(Spring Energized Seal)即Helicoflex,是一個由金屬鋁、銅、銀、不銹鋼或其他聚合材料夾套及蓄能彈簧組合而成的壓力輔助密封裝置,如圖5所示。

彈簧蓄能密封圈

圖5 彈簧蓄能密封圈

  當彈簧蓄能密封圈裝在密封溝槽內彈簧受壓,促使夾套密封面緊貼密封溝槽,由此形成密封。彈簧給密封夾套提供彈力,并彌補材料磨損及配合零件的偏移或偏心,系統壓力也會輔助密封夾套蓄能,通過彈簧彈力和系統壓力形成一個恒定持久的預緊力,從而實現有效密封。

  彈簧蓄能密封圈用于密封應用于超高真空、核裝置、航空航天、石油、低溫、化工、冶金、動力機械、蒸汽容器等設備上。