24°管路堵頭密封性能研究

稅曉菊，司會柳，曹文利，劉 艷，張 翼，

（1. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076；2. 深低溫技術(shù)研究北京市重點實驗室，北京，100076）

0 引 言

管路連接件（也稱管接頭）作為管路系統(tǒng)的重要組成結(jié)構(gòu)，承擔著連接和密封的功能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶領(lǐng)域液壓氣動系統(tǒng)管路中，其性能直接影響著管路系統(tǒng)的可靠性。管接頭分為永久式、可分離式、柱端式等多種類型，可分離式又包括擴口式、無擴口式、唇密封式[1]3種，其中24°管接頭為典型的可分離-無擴口式，因其較強的耐壓性、良好的密封性和較高的可靠性得到了廣泛的應(yīng)用。堵頭屬于管接頭中的一種，實現(xiàn)管路敞口密封但不聯(lián)通，通常用于滿足部分管路通路需求取消的情況，無須改變現(xiàn)有管路產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，具有高效、靈活、簡便等優(yōu)點。

新一代運載火箭管路系統(tǒng)中應(yīng)用大量24°堵頭安裝于箭地接口實現(xiàn)冗余密封，在因飛行任務(wù)需求變更而產(chǎn)生遙測參數(shù)更改時，也會在取消分支路連接的三通管嘴處安裝同規(guī)格堵頭密封。當前關(guān)于24°、60°等錐面結(jié)構(gòu)密封類的管接頭密封性能研究工作及成果較多，主要是建立以密封帶寬為指征的密封性能與擰緊力矩的變化規(guī)律[2,3]，而對于24°堵頭性能的研究較少，工程中一般參照同規(guī)格管接頭確定材料類別、尺寸偏差、安裝力矩等要素，事實上，堵頭與管接頭具有明顯不同的結(jié)構(gòu)特征，密封性能并不能直接代表。

本文基于Abaqus/Standard軟件平臺，就24°堵頭與管接頭在相同載荷下的應(yīng)力水平和密封帶寬對比，密封角度差對密封性能的影響開展分析，并基于一項堵頭氣密測試超標實例對堵頭安裝問題進行研究。

1 數(shù)值模型

24°管路堵頭通常安裝于管系上三通管嘴處，結(jié)構(gòu)和承載工況具備軸對稱特征，因此本文以典型Φ4 mm規(guī)格三通管嘴-堵頭裝配體為研究對象建立軸對稱模型進行相關(guān)密封性能分析。

1.1 結(jié)構(gòu)描述

管路三通堵頭結(jié)構(gòu)由三通管嘴、球頭、外套螺母和密封圈組成，球頭球面包括前球面、密封槽和后球面，密封槽內(nèi)安裝O形密封圈，管嘴與球頭的理論錐角均為24°，其密封原理與管接頭相同，通過向外套螺母施加扭矩，從而產(chǎn)生軸向力擠壓球頭的前、后球面與三通管嘴錐面產(chǎn)生接觸應(yīng)力與塑性變形，非金屬密封圈也會發(fā)生變形填充密封槽而實現(xiàn)3道密封功能。本文研究指標以前、后球的金屬密封性能為主，因此分析模型不包括密封圈，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。管接頭與堵頭的區(qū)別僅在于球頭為中空結(jié)構(gòu)作為介質(zhì)通道，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖1 24°管路三通堵頭結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of 24 Degree Pipe Tee and Plug

圖2 24°管路三通接頭結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of 24 Degree Pipe Tee and Joint

1.2 材料屬性

堵頭常用材料有不銹鋼、鋁合金及高溫合金，選用因素包括三通管嘴材料、螺紋規(guī)格、管路內(nèi)介質(zhì)、內(nèi)壓載荷、環(huán)境載荷等，選取某型號應(yīng)用實例進行分析，三通管嘴材料為高溫合金GH1131，球頭與外套螺母均為不銹鋼1Cr18Ni9Ti。

1.3 網(wǎng)格劃分

建立軸對稱模型，采用4節(jié)點雙線性四邊形減縮積分單元CAX4R，為了平衡計算效率與計算精度，前、后球面與管嘴錐面的網(wǎng)格精度為0.1 mm，放大其余位置網(wǎng)格尺寸。

1.4 邊界條件及接觸

設(shè)置三通管嘴底端為固支，分兩步施加邊界條件：第1步約束球頭、外套螺母的徑向位移和轉(zhuǎn)動，施加軸向位移實現(xiàn)球頭與管嘴的接觸；第2步在球頭與外套螺母上施加軸向載荷模擬力矩作用過程，內(nèi)腔表面施加壓力載荷模擬實際工況。

球頭前、后球面與管嘴錐面在預(yù)緊力作用下壓緊接觸實現(xiàn)密封功能，采用 Abaqus軟件中的Surface-to-Surface模塊進行接觸定義，包括法向和切向接觸，法向接觸設(shè)置為硬接觸，切向選取罰函數(shù)接觸算法[2]，摩擦系數(shù)取0.15。由于本文研究對象為球面密封性能，因此不對外套螺母與三通管嘴螺紋接觸面進行建模，將外套螺母與三通管嘴結(jié)構(gòu)合成并賦予不同材料屬性。

1.5 載荷

1.5.1 預(yù)緊力

球頭錐密封結(jié)構(gòu)密封機制為軸向預(yù)緊力作用下由幾何線接觸變?yōu)樗苄原h(huán)面接觸，預(yù)緊力不足時，密封帶寬較小，密封可靠性降低甚至不滿足密封指標要求，預(yù)緊力過高，則會造成密封面大面積屈服從而容易產(chǎn)生應(yīng)力松弛，因此確定預(yù)緊力對密封性能至關(guān)重要[3]。力矩T與預(yù)緊力F之間為線性關(guān)系：

式中d為螺紋公稱直徑；K為扭矩系數(shù)，取決于螺紋的結(jié)構(gòu)尺寸及偏差水平、螺紋副摩擦系數(shù)、螺紋加工表面質(zhì)量、表面處理狀態(tài)、螺牙的塑性變形等，Hwang通過試驗整理出的鋼制螺栓連接的扭矩系數(shù)K的直方圖，K的平均值為0.267，標準偏差為0.009 16[4]，相關(guān)工程數(shù)據(jù)顯示，K值浮動于0.2～0.88之間。K值影響因素數(shù)據(jù)的獲取相對困難，因此本文按下述方法進行預(yù)緊力計算。

擰緊力矩T須克服3個接觸面的摩擦力矩：外套螺母和球頭支撐面間的摩擦力矩T1；球頭和錐面的摩擦力矩T2；外套螺母與三通管嘴螺紋間摩擦力矩T3。

式中θ為管接頭與外套螺母支撐面傾角，dw為支撐面等效直徑；wμ為支撐面等效摩擦系數(shù)；DMP為球頭-錐面接觸面等效直徑；α為球頭-錐面接觸面法向與流道中心線夾角；Nμ為球頭-錐面接觸面摩擦系數(shù)；d2為螺紋公稱直徑；φ為螺紋升角，，其中，p為螺距，ρ′為螺紋當量摩擦角，，其中，sμ為螺紋副間摩擦因數(shù)，β′為螺紋垂直截面的牙型斜角，β′和軸向截面牙型斜角β的關(guān)系為，對于24°接頭的米制螺紋有

由此可得，算例三通堵頭安裝27 N·m時預(yù)緊力約為8622.2 N，代入式（1）可得到K約為0.224，接近文獻[4]中螺栓連接扭矩系數(shù)的平均值，也屬于工程試驗數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。

1.5.2 內(nèi)壓載荷

算例三通堵頭屬于測壓管路系統(tǒng)，搭載管路經(jīng)歷內(nèi)壓載荷包括15 MPa液壓試驗與10 MPa氣密試驗，本文按15 MPa進行分析。

2 仿真計算及結(jié)果分析

2.1 24°三通堵頭與管路連接件靜力比對分析

目前火箭上同規(guī)格、同材料的24°三通堵頭結(jié)構(gòu)與管接頭安裝力矩相同，分別對這兩種結(jié)構(gòu)施加同樣的預(yù)緊力載荷8622.2 N和15 MPa內(nèi)壓載荷進行靜力分析，Mises應(yīng)力分布如圖3所示，計算結(jié)果如表1所示。

圖3 預(yù)緊力及15MPa內(nèi)壓下24°三通堵頭與管接頭應(yīng)力場Fig.3 Stress Field of 24 Degree Pipe Plug and Connector under the Preloading Force and the Pressure within 15 MPa

表1 預(yù)緊力8622.2N及內(nèi)壓載荷15MPa下應(yīng)力對比Tab.1 Contrast of Stress under the Preloading Force 8622.2 N and the Pressure within 15 MPa

由表1可知，在預(yù)緊力作用下，24°三通堵頭和管接頭的球面與管嘴錐面處均產(chǎn)生面接觸并進入材料塑性，實現(xiàn)密封功能。堵頭球頭的剛度大于管路球頭，因此在同樣的軸壓載荷下，堵頭球頭變形更小，同時接觸區(qū)域附件的應(yīng)力水平更高，這與計算結(jié)果相符。兩種模型三通管嘴應(yīng)力水平相當，管接頭的稍大，且最大值均位于與后球接觸擠壓處，這主要由于后球壓力處結(jié)構(gòu)相對前球離三通固支端更遠，應(yīng)力應(yīng)變水平都將更高。管接頭前后球應(yīng)力水平相當，而堵頭前球應(yīng)力水平明顯高于后球。在相同力矩下，管路連接件的密封帶寬略高于三通堵頭，且在施加內(nèi)壓載荷后除堵頭前球密封帶寬外，堵頭和密封帶寬均有一定降低但幅度不超過7%。由此可推斷，對于堵頭而言，要產(chǎn)生與管接頭相同的密封效果，應(yīng)在結(jié)構(gòu)強度允許且不發(fā)生應(yīng)力松弛的范圍內(nèi)適當提高力矩，或降低前球剛度以增大塑性變形密封面積。分析發(fā)現(xiàn)，力矩增大7.4%時，堵頭與管接頭密封帶寬度相當。

2.2 堵頭密封角度差影響分析

球頭、三通的密封角度及偏差均設(shè)計為相同值，實際二者必然存在角度差，該角度差對堵頭的性能會產(chǎn)生一定影響，因此有必要開展24°三通堵頭性能對角度差的敏感性研究，為密封角度設(shè)計及制造偏差控制提供參考。

2.2.1 堵頭不同密封角度差下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

依次設(shè)定球頭或三通管嘴角度為24°，選取匹配件錐角在21～27°范圍內(nèi)變化，得到恒定預(yù)緊力作用下三通堵頭的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示。設(shè)球頭與三通管嘴角度之差為Δθ，橫軸為24°時Δθ=0°，記錄為“零軸”，則實心標記曲線在零軸左側(cè)對應(yīng)Δθ＜0°，在零軸右側(cè)對應(yīng)Δθ＞0°，空心標記曲線反之。

圖4 三通管嘴24°-球頭角度變化的應(yīng)力曲線Fig.4 Curve of Stress with the Angle of Ball Head Changing and the Tee Mouth Remaining 24 Degree

由圖4可知，同類應(yīng)力的實心標記曲線和空心標記曲線基本對稱于零軸，這說明三通堵頭在預(yù)緊力下的應(yīng)力與密封角度差Δθ（即球頭與管嘴的角度匹配差）相關(guān)，而與球頭或管嘴的具體錐角值無關(guān)。Δθ越大，前球應(yīng)力越小，后球應(yīng)力越大。當 Δθ＞1.5°時，前球應(yīng)力迅速下降且無塑性變形產(chǎn)生。后球應(yīng)力隨著Δθ的增大而增大，Δθ＞-2 .5°時，后球始終保持塑性變形。管嘴應(yīng)力約處于271.2～310 MPa之間，Δθ≈1°時，達到最大，Δθ＞1°后管嘴應(yīng)力基本無變化。因此，從前、后球產(chǎn)生塑性變形且應(yīng)力均勻的角度考慮，三通堵頭的密封角度差應(yīng)盡量滿足

2.2.2 堵頭不同密封角度差下密封帶寬分析

依次設(shè)定球頭或三通管嘴角度為24°，選取匹配件錐角在21～27°范圍內(nèi)變化，得到恒定預(yù)緊力作用下三通堵頭的前、后球密封帶寬曲線如圖5所示。

圖5 球頭24°-三通管嘴角度變化的密封帶寬曲線Fig.5 Curve of Sealing Width with the Angle of Ball Head Changing and the Tee Mouth Remaining 24 Degree

由圖5可知，同類密封帶寬的實心標記曲線和空心標記曲線也基本基于零軸對稱。前、后球密封帶寬與Δθ基本呈線性關(guān)系，后球密封帶為正相關(guān)，前球反之，前球密封帶寬隨Δθ變化曲線曲率更大，即前球密封帶寬受角度差的影響更加敏感。當 Δθ＞2.5°，前球面與管嘴分離無接觸。密封帶寬總和隨著Δθ的增大程緩慢減小趨勢。

綜合24°三通堵頭隨著角度差應(yīng)力水平與密封帶寬度的波動規(guī)律分析可以得出以下結(jié)論：a）為保證堵頭的密封性能，在堵頭選用或設(shè)計時應(yīng)控制堵頭裝配角度差而非各自獨立地考慮零件角度，角度差Δθ不宜超過±1.5°；b）角度差的范圍設(shè)計應(yīng)在承力材料的性能基礎(chǔ)上，使得密封帶寬度盡可能大，如本文算例，推薦球頭角 度23.5°±10'+管嘴 24°+10'或球頭角度24°+10'+管嘴24.5°±10'的組合，前者密封帶寬總和可達到1.8 mm，后者可達到1.7 mm；c）相較于后球，前球密封帶和應(yīng)力增長幅度都更大，因此，可以通過令 Δθ＜0，即前球起到主要密封作用，同時進行前球降應(yīng)力設(shè)計的方法來提升三通堵頭的密封性能。

3 堵頭氣密超標案例分析

將與上述算例的24°三通堵頭狀態(tài)相同的實物產(chǎn)品（規(guī)格、材料及力矩均與本文算例相同，產(chǎn)品球頭和管嘴角度皆為 24°+10'，共6處）上箭安裝于測壓管路系統(tǒng)并進行（0.15±0.01） MPa低壓氦質(zhì)譜氣密試驗，其中一處堵頭處漏率結(jié)果為1×10-3（Pa?m3）/s，不滿足1×10-4（Pa?m3）/s的要求，復(fù)查材料性能及實際加工尺寸均合格，下面就該三通堵頭漏率超標原因開展觀察宏觀、微觀及金相組織分析。

3.1 宏觀觀察及分析

三通管嘴、球頭和外套螺母外觀呈銀白色，未見明顯腐蝕特征。三通管嘴內(nèi)錐面可見2條均勻的密封帶，球頭前球和后球各存在1條密封帶，球頭密封帶位置與三通管嘴密封帶位置相匹配，密封帶寬度分別為1.4 mm和1.5 mm。根據(jù)前后球密封帶寬實測寬度對照第2.2.2節(jié)中的計算，發(fā)現(xiàn)未找到前后球密封帶寬均大于1.4 mm的情況，假設(shè)不考慮產(chǎn)品密封錐面的加工質(zhì)量影響，當管嘴為24°時，對前、后球分別考慮則可得到前球密封帶寬對應(yīng)的°，后球密封帶寬對應(yīng)的，已知三通管嘴與球頭錐角角度均約為 24°+10'，二者同軸安裝的理想情況下因此，要同時產(chǎn)生前球且后球，較大可能的原因為非對中安裝導(dǎo)致的前、后球密封角度差不同且正相反，非對中角度約為0.75°。

4條密封帶均呈磨損形貌。前球塑性變形特征較后球更為明顯，如圖6所示，符合第2.1節(jié)中前球擠壓應(yīng)力更大的計算結(jié)果表述。值得注意的是球頭錐面與外套螺母錐面也可見磨損痕跡，且磨損程度更高。

圖6 球頭錐面與密封帶外觀Fig.6 Physical Appearance of Sealing Zone on the Ball Head

3.2 金相觀察及硬度測試

分別對三通管嘴、球頭以及外套螺母產(chǎn)品進行金相分析，結(jié)果表明，三通管嘴組織為奧氏體，與GH1131材料相符，球頭和外套螺母組織均為孿晶奧氏體，與1Cr18Ni9Ti材料相符，未發(fā)現(xiàn)材料成分及組織異常的可能。三者的實測硬度數(shù)據(jù)如表2所示，三通管嘴硬度較高，球頭與外套螺母硬度相當。

表2 維氏硬度測試結(jié)果Tab.2 Vickers Microhardness Test Results

3.3 微觀觀察及分析

將三通管嘴、球頭及外套螺母產(chǎn)品置于掃描電鏡下進行微觀觀察，結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，球頭前球和后球均可見明顯的塑性變形痕跡，且三通管嘴和球頭發(fā)生了磨粒磨損和粘著磨損，其中前球磨損更為嚴重，可見剪切韌窩形貌，存在物質(zhì)碾壓、堆積和材料轉(zhuǎn)移，磨損帶上存在周向、軸向以及斜向等不規(guī)則的磨損特征，表明堵頭與三通管嘴在裝配過程中存在不規(guī)則的相對運動，受力不均勻。球頭與外套螺母錐面磨損帶寬約0.8 mm，磨損機理為粘著磨損，且球頭與外套螺母硬度相近，因此接觸面粘著磨損程度最嚴重。

圖7 前球密封帶形貌Fig.7 Morphology of Front Sealing Zone on the Ball Head

圖8 后球密封帶形貌Fig.8 Morphology of Rear Sealing Zone on the Ball Head

綜合上述結(jié)果，該三通管嘴與堵頭密封不良直接原因為密封面存在嚴重的粘著磨損，磨損區(qū)域物質(zhì)轉(zhuǎn)移、堆積形成泄漏通道。而產(chǎn)生密封面磨損的根本原因為安裝過程球頭發(fā)生轉(zhuǎn)動與管嘴間產(chǎn)生滑動摩擦，事實上這也是堵頭類產(chǎn)品安裝的常見問題，尤其該案例存在0.75°的裝配偏差，更容易在扭矩施加過程發(fā)生不規(guī)則轉(zhuǎn)動。

要避免該問題的產(chǎn)生須減少球頭非對中安裝及安裝轉(zhuǎn)動，一方面應(yīng)減少外套螺母與球頭的摩擦作用，以避免扭矩施加過程帶動球頭的轉(zhuǎn)動以及降低力矩到軸向力的轉(zhuǎn)換效率，可以采取涂覆潤滑脂、鍍層、加嚴表面生產(chǎn)質(zhì)量等降低摩擦系數(shù)的措施。另一方面，與管接頭結(jié)構(gòu)不同，堵頭安裝過程，球頭不受約束而可以發(fā)生自由轉(zhuǎn)動，存在球面與管嘴的不均勻受力及變形，也會導(dǎo)致密封性能降低，因此，使用三通堵頭時，應(yīng)考慮限位措施，如在三通管嘴與球頭之間增加限位導(dǎo)向防止安裝過程的球頭旋轉(zhuǎn)。此外，相近的材料硬度相當，接觸摩擦?xí)r更易于發(fā)生粘著磨損，可以錯開球頭、三通管嘴及外套螺母的選用材料以減輕相對運動時的接觸面的磨損程度。

4 結(jié) 論

本文從24°三通堵頭與管接頭的受力對比、密封角度差對結(jié)構(gòu)強度及密封帶寬度的影響及氣密超標案例分析幾方面內(nèi)容研究了24°三通堵頭的密封性能，并得到以下結(jié)論：

a）堵頭與管接頭應(yīng)區(qū)別安裝力矩，在結(jié)構(gòu)強度允許且不發(fā)生應(yīng)力松弛范圍內(nèi)適當提高堵頭安裝力矩（本文算例力矩提高7.4%時可與管接頭密封帶寬度相當），或降低前球剛度以增大塑性變形密封面積。

b）堵頭受外載情況下的應(yīng)力水平和密封帶寬度與堵頭裝配角度差θΔ相關(guān)，與具體零件角度無直接關(guān)系，角度差θΔ 不宜超過±1.5°，推薦設(shè)計制造為θΔ <0，令前球起到主要密封作用，以提高密封性能。

c）三通堵頭的不對中與運動狀態(tài)安裝均會導(dǎo)致密封性能下降甚至密封失效。應(yīng)區(qū)增加限位導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，別選用堵頭零件材料，外套螺母與球頭間還可以采取涂覆潤滑脂、鍍層等降低摩擦系數(shù)的改善措施。