一種用于密封艙體氣密檢查的三通閥門

牛群峰， 韓峰

（中國船舶重工集團公司第七一○研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

密封艙體是水下UUV的重要組成部分，它不僅是電子元器件和傳感器等設備的安裝載體，同時也為各功能設備件提供密封空間，確保各設備不受海水壓力、腐蝕性惡劣環境的影響而發生損壞。因此確保艙體可靠密封是各功能設備件安全可靠運行的關鍵[1-3]。

密封艙體下水試驗前需進行氣密檢查。目前通常的做法是通過空壓機直接向密封艙體內部充氣，當艙體內部氣壓達到要求后，關閉空壓機。然后采用將密封艙體沒入水中或在密封配合處涂抹肥皂水，并長時間保壓的方式來進行密封性能檢測[4]。

將密封艙體沒入水中進行密封性能檢測是目前最常用的做法。但它對使用環境有一定的要求，即需要現場具有可容納水下密封艙體的水槽。而有些水下密封艙體體積較大，一般的水槽中無法容納。

在密封配合處涂抹肥皂水并長時間保壓進行密封性能檢測的方式適用于現場沒有滿足要求的水槽或密封艙體的體積較大，無法放入水槽進行密封性能檢測的場合。此種方法通常要求壓力表精度較高且保壓時間較長。而空壓機受量程等方面的影響，自帶壓力表往往精度不能滿足使用要求，且空壓機與密封殼體連接處存在氣壓泄漏的隱患，容易造成誤判。

針對以上使用缺陷，設計一種用于密封艙體氣密檢查的三通閥門，實現密封艙體與空壓機之間的轉接。成功解決了壓力表精度不滿足使用要求和連接處氣壓泄漏容易引起誤判的難題。

1 結構簡介

一種用于密封艙體氣密檢查的三通閥門，它主要包括與密封艙體連接的固定閥座，可形成兩個獨立通路的閥桿，可實現閥桿通路通斷的閥腔，與壓力表連接的壓力表轉接件，實現壓力表與壓力表轉接件密封的橡膠墊，與充氣快速接頭連接的空壓機轉接件、快速接頭等。其總體結構及安裝方式如圖1所示。

圖1 三通閥門總體結構及安裝方式示意圖

固定閥座與密封艙體通過螺紋固定連接，連接方式簡單方便；同時采用兩道O型圈徑向密封的方式，確保密封安全可靠。固定閥座上有兩個螺紋孔，一個通過閥桿與壓力表連接，另一個通過閥桿與空壓機連接。

閥桿與固定閥座之間通過螺紋固定連接，并采用端面密封的方式，閥桿上端面密封槽在允許范圍內較設計標準偏淺，確保端面密封性能更加可靠。

閥腔內部有三道徑向密封O型圈槽，在實現閥腔通路與外界可靠隔絕的同時確保閥腔與閥桿滑動靈活自如。閥桿兩獨立通路的連通和隔開通過移動閥腔的位置來實現。閥腔外部做有標記，用來明確閥腔在閥桿上的安裝方向及實現閥桿兩獨立通路連通和隔開時應移動的方向，如圖2所示。

圖2 閥腔外部標記示意圖

壓力表轉接件的主要作用是實現將閥桿通路中的氣壓傳遞到壓力表接口處而不產生泄漏，壓力表轉接件與閥桿之間采用螺紋連接的方式，并通過O型圈實現徑向密封，壓力表轉接件與壓力表之間同樣采用螺紋連接的方式，并通過橡膠墊實現密封。

空壓機轉接件主要用來實現閥桿與空壓機之間的密封連接，空壓機轉接件與閥桿之間采用螺紋連接的方式，并通過O型圈實現徑向密封，空壓機轉接件上端安裝一個快速接頭，實現與空壓機的高壓軟管快速拔插。

該三通閥門采用以上設計，其具有以下優點：1）與密封艙體的連接簡單可靠，并可根據密封艙體的具體情況增加轉接件，通用性強；2）密封處采用雙道密封并增加壓縮量的方法確保密封性能，可靠性高；3）可外接高精度壓力表來進行內部壓力的精確檢測，大大降低了誤判的概率；4）通過移動閥腔的位置實現密封艙體與空壓機以及壓力表之間的連通和斷開，可排除由于空壓機高壓軟管接頭處和壓力表接頭處的微滲漏而造成對氣密檢查結果的誤判。同時可根據現場的環境情況，選擇任何一種進行檢查，實現檢查方式的靈活多變。

2 設計計算

2.1 材料及密封形式的選擇

1）材料的選取。該三通閥門主要用于進行密封艙體氣密檢查，經常與水及肥皂水等介質接觸，使用環境比較惡劣，容易發生銹蝕。故選用耐腐蝕性較強的不銹鋼材料。其力學性能如表1所示[5-6]。

表1 不銹鋼力學性能

式中：P為設計壓力，MPa;Di為閥腔或閥座內直徑，mm；［σ］t為材料的許用應力，MPa;φ為焊縫系數（無焊接結構時φ=1）。

2）密封形式的選取。固定閥座與閥桿及密封艙體之間的連接要求可靠、拆卸方便；閥腔與閥桿之間的連接要求滑動自如且密封可靠。O形圈密封具有密封性能好、使用壽命長、結構緊湊、拆卸方便等特點，可在-100～260℃溫度范圍內使用[7-8]。綜合考慮，采用O形圈密封的結構形式。

2.2 設計及校核

該三通閥門主要承受內部壓力，屬于壓力容器設計范疇。內壓下圓筒厚度的計算公式如下所示：

由式（1）可知，圓筒厚度與所承受的壓力和圓筒內徑的乘積成正比。基于安全性等方面的考慮，氣密檢查所采用的壓力最大不超過1 MPa。同時基于使用方便性和便于攜帶等方面的考慮，該三通閥門的整體體積在滿足使用要求的情況下體積盡可能小，閥腔和閥座的空腔最大內徑不大于φ30 mm。在此情況下，強度較容易滿足要求。故采用以結構設計為主，然后對其進行強度校核的設計方法。

2.2.1 閥桿與固定閥座密封處參數確定

閥桿與固定閥座處采用M12螺紋固定連接和O型圈軸向密封的結構形式。為降低加工難度，同時確保可靠密封，采用增加O型圈壓縮量的方法。采用式（2）計算軸向密封溝槽允許的最小深度：

式中：hmin為溝槽最小深度，mm；d2為O型圈截面直徑，mm（根據固定閥座密封配合面的結構尺寸，選用截面直徑為2.65 mm的O形圈。即d2=2.65 mm）；x為O型圈壓縮率（根據《液壓氣動用O型橡膠密封圈溝槽尺寸標準》，O形圈截面直徑對應的軸向密封最大壓縮率為30%，即x=30%）。

計算得，hmin=1.855mm。取整后得：h=1.86mm。2.2.2 閥桿與閥腔密封密封處參數確定

圖3 閥桿與閥腔配合處尺寸參數

閥桿與閥腔的密封配合主要實現兩個功能，即閥腔移至閥桿底座端時實現兩通路的斷開，閥腔移至轉接件端時實現兩通路的連通。此即需要確定幾個尺寸參數，如圖3所示。

圖3所示狀態下需確保閥桿兩通路之間的可靠連通并與外界隔絕。需滿足下列條件：

其中,r為圖示φa孔邊緣處倒圓角半徑。

根據結構和加工可行性等方面的考慮，需滿足下列條件：

閥腔移動至閥桿底座端時確保兩通路隔開且與外界隔絕，為確保可靠性，將d處O形圈移動至兩通路中間位置。需滿足下列條件：

綜合考慮承壓強度、結構尺寸及加工等方面的因素，選擇截面直徑為2.65 mm的O形圈，并確定以下基本尺寸：

根據式（3）～式（5），確定各參數尺寸：L5＞2.5+3=8 mm；L2＞8+2.5+1=12.4 mm；L3＞2.5+1=4.5 mm；L4=（12.4+3.6）/2=8 mm。

其余尺寸按照《液壓氣動用O型橡膠密封圈溝槽尺寸標準》進行設計。

2.2.3 閥腔壁厚強度校核

閥腔的壁厚設計為t=2.85 mm,取1.5倍安全系數，采用最大氣壓P=1.5 MPa進行校核。

根據式（1）進行變換，可得

遠遠小于不銹鋼材料的許用屈服強度，滿足要求。

3 實施過程

當需要進行氣密檢查時，將三通閥門按照圖1所示安裝到位，此時密封艙體內部同空壓機以及壓力表均處于連通狀態，具體見圖4。此時打開空壓機往密封艙體內部充氣，同時觀察壓力表的度數，當壓力達到規定值時，關掉空壓機，同時將閥腔沿閥桿軸向移動至與閥桿底部相接觸（如圖5所示），并拔掉空壓機高壓軟管，此時密封艙體內部與空壓機以及壓力表均處于斷開狀態，若采用第一種方法進行氣密檢查，則取下壓力表，將密封艙體放置水槽中觀察是否有氣泡產生。若采用第二種方法進行檢查，則可以在艙體密封配合處涂抹泡沫觀察，待保壓時間滿足要求后，將閥腔沿閥桿軸向方向移動至與壓力表轉接件相接觸，同時觀察壓力表的讀數并與之前要求值比較，若滿足要求則取下壓力表并將閥腔沿閥桿移至與空壓機轉接件相接觸，此時密封艙體內部與外界通過兩個通路連接，可快速放掉艙內的空氣，節省放氣時間，提高工作效率。

圖4 閥腔移動至連通狀態示意圖

圖5 閥腔移動至隔開狀態示意圖

4 效果驗證

根據設計計算的結果進行三通閥門零件詳細設計、加工及組件裝配，到位后采用某小型密封殼體作為工裝對三通閥門的密封性能進行驗證試驗，將氣密壓力增加至1.5 MPa,放入水中進行密封性能檢測，15 min時間內壓力未發生變化且未發現氣泡產生，密封效果良好。具體測試過程見圖6所示。

目前該三通閥門已成功應用至某水下UUV密封艙體氣密檢查過程中，操作過程簡單方便且準確率高，從未出現錯判漏判等現象。

圖6 測試過程示意圖

5 注意事項

1）閥腔須嚴格按照規定方向安裝。閥腔外部標記了安裝時的方向和移動時閥桿通路所處的狀態。若閥腔未按規定方向裝配，則移動至指定狀態時閥桿通路所處的狀態與標記狀態不一致。空壓機充氣時會出現通路堵塞等情況，容易發生危險。

2）三通閥門入水后需進行去水處理。將密封艙體沒入水中進行氣密檢查是目前最常用的做法。采用此種方式進行氣密檢查時，需將與空壓機連接的高壓軟管和壓力表取下然后整體放入水中，如圖7所示。此時快速接頭端與壓力表連接端均處于非密封狀態。放置水中進行氣密檢查再取出后內部會存留少量水，若不對其進行清除，則下次進行氣密檢查時，殘留在內部的水會在空壓機的作用下進入到密封艙體內部或進入到壓力表中，使得密封艙體內部進水或造成壓力表的損壞。

圖7 沒入水中進行氣密檢查示意圖

3）打開空壓機出氣口過程應勻速緩慢。由于氣密所需達到的壓力較小，且對壓力變化的感知度要求較高，故選用的壓力表大多精度較高，但量程較小。而目前使用的空壓機大多有存儲一定壓力氣體的功能。若空壓機中存儲的氣體壓力較高，超出所選用壓力表的量程。則使用空壓機中存儲的氣體往密封艙體內部充氣時就存在將壓力表沖壞的風險。此時需勻速緩慢地打開空壓機充氣口，同時觀察壓力表讀數變化。切忌迅速將空壓機充氣口閥門完全打開。

6 結語

密封艙體是否安全可靠密封是確保水下UUV載體內部各功能設備件安全可靠運行的關鍵。下水前需進行氣密檢查是水下UUV必不可少的一項操作內容。本文針對目前密封艙體進行氣密檢查時存在的不便和使用缺陷，設計一種用于密封艙體氣密檢查的三通閥門。并對該三通閥門的結構、設計計算及實施過程進行詳細的介紹，同時指出使用過程中的注意事項。