真空封口接头环境适应性改进研究

曹 岭，唐 强，黄玲艳，刘忠明，王鹏飞

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

真空封口接头环境适应性改进研究

曹 岭，唐 强，黄玲艳，刘忠明，王鹏飞

（北京航天发射技术研究所，北京 100076）

真空封口接头是连接低温设备真空腔与抽真空设备之间的接头，其可靠性直接影响抽真空效果，以及真空腔内的漏放速率、真空寿命等指标，目前的真空封口接头采用两道密封，封口罩钎焊到管路上，密封性能在一些环境温度极低的地区可靠性不高，并且使用不方便。通过对原真空封口接头进行优化分析、可靠性改进设计和试验验证，提高了单机设备的真空使用寿命，同时为低温加注设备的安全性和可靠性提供了保障。

低温；封口接头；可靠性

0 引言

目前低温液体的使用已经进入了各行各业，从科学研究到国防工业直至民用企业对低温液体的需求量越来越大[1-2]。对于通常的低温液体输送系统、管路和设备绝热的主要目的是减少介质损耗，因而对绝热性能没有严格、定量的要求。运载火箭的低温推进剂加注系统则不同，其对管路的绝热性能有较严格的要求，整个加注管路的漏热量要控制在一定的量值范围内[3]。为了减少液氢、液氧、液氮等低温介质的贮存及输送过程中的温升，低温设备采用真空绝热形式进行低温介质的贮存与远距离输送。真空封口接头作为连接低温设备真空腔与抽真空设备之间的接头，其密封性能直接影响抽真空效果，以及真空腔内的漏放速率、真空寿命等关键指标[4]。

目前的真空封口接头采用两道密封，封口罩钎焊到管路上，在低温环境下的密封性能低，且使用不方便。为了提高真空封口接头的环境适应性和使用可靠性，对现有真空封口接头进行环境适应性设计，主要包括更改密封方式和材料、增加压紧环和泄压孔等内容，并结合试验对改进后真空封口接头进行了密封性能验证。结果表明更改后的封口接头结构紧凑、密封性能好，产品化易于实现，并能起到安全泄压作用。

1 真空封口接头工作原理

真空封口接头应用于低温真空设备（管路、阀门、中小型低温容器）上，结构示意图如图1所示。主要由封口塞、封口座、O形密封圈、封口罩等四部分组成，结构简单实用，操作方便，抽真空时拔出封口塞开始抽真空，真空度达到要求值后，封口塞重新推回封口座内，并涂抹低温脂，然后将封口罩套在外部旋紧。其中O形密封圈的作用主要是防止外界气体进入真空腔而导致真空度破环，O形密封圈的材料、规格以及密封型式对真空封口接头的密封性能有着非常重要的影响，因此O形密封圈的合理选择是低温设备真空度的重要保障。

图1 改进前的真空封口接头示意图Fig.1 Before the vacuum sealing joint improvement

2 真空封口接头可靠性改进方案

2.1 采用三级密封

改进前的真空封口接头采用两道密封，密封性能较差，改进后在原有真空封口接头上增加一道O形密封圈B。真空封口接头实际使用过程中，封口座焊接到低温真空设备的开孔处，利用抽真空用工装与封口塞上螺纹连接，拔出封口塞开始抽真空，真空度达到要求值后，封口塞重新推回封口座内，三道O形密封圈依次安装在图2的封口塞中的密封圈槽内，同时在封口塞和封口座结合缝隙处涂抹真空密封脂，能够有效起到密封作用，防止空气进入真空腔。

2.2 O形密封圈材料改进

原真空封口接头使用的O形密封圈材料为氟橡胶，其使用环境温度范围为-20～70℃，新增的O形密封圈材料为硅橡胶[5]，使用环境温度范围为-50～70℃，消除了原有真空封口接头在极端低温（-39℃）下可能发生O形密封圈失效而造成管路真空腔真空度被破坏的重大隐患。通过材料改进扩大了真空封口接头的使用环境温度范围，提高其环境适应性。

图2 改进后的真空封口接头示意图Fig.2 After the vacuum sealing joint improvement

2.3 增加压紧环并设置泄压孔

在真空封口接头操作过程中，使用压紧环压紧O形密封圈B，可有效防止其脱落并保证其良好的密封性能。另一方面，在压紧环上设置泄压孔可使真空封口接头具有安全泄压的作用，一旦低温真空设备发生泄漏，造成真空腔内压力升高，当压力升高至设定压力，真空封口接头中封口塞会在压力作用下弹出，图3为真空封口接头的开启状态，图中显示了气体泄出的通道，以及封口塞开启时的位置。通过设置带有泄压孔的压紧环，不仅保证了真空封口接头良好的密封性能，同时也提高了产品的可靠性和低温加注系统的安全性。

图3 真空封口接头开启状态图Fig.3 The open vacuum sealing joint

表1介绍了真空封口接头改进前后的工艺性能对比。通过以上优化设计，提高了真空封口接头在低温下的环境适应性，消除了封口塞和封口座之间密封不良的可能性，且增加了安全泄压的作用，从而提高了产品的可靠性。

表1 真空封口接头改进前后的工艺性能对比Table1 Analyzing the performance before and after the improvement of vacuum sealing joint

3 试验验证

为了验证优化设计后的真空封口接头的工作性能，对改进前后的真空封口接头开展了多次低温环境下真空密封性能试验。测试了改进前真空封口接头在低温环境下的密封性能，并分析了其使用所存在的风险以及改进后的实际使用效果。

试验装置包括被测真空封口接头（被测件1、被测件2）、工装管段、堵盖、真空度测量装置、高低温箱等组成，试验工装系统组成如图4所示。

图4 试验工装系统图Fig.4 The vacuum sealing joint testing system

将被测真空封口接头装配好并焊接至工装试验管段，工装整体焊接后进行焊缝检测和漏气速率检测[6]，检漏合格后进行管路抽真空。将试验工装系统放入高低温箱，连接好真空计测量装置，记录高低温箱温度的被测件的真空度值。逐渐降低高低温箱的温度并保持一定时间，记录被测件的真空度变化。

3.1 试验结果

图5为试验过程中高低温箱温度随时间的变化曲线。表2为改进前的真空封口接头真空度随温度的变化情况，试验累计时间270 min。可以看出，当高低温箱温度降至-35℃时，被测件1真空度B开始增加，由2.4 Pa增加至2.6 Pa，并随时间的变化呈逐渐增加趋势，试验270 min时，真空度上升至97 Pa；当高低温箱温度降至-35℃时，被测件2真空度G开始增加，由5.4 Pa增加至5.5 Pa，并且随时间的变化呈逐渐增加趋势，试验270 min时，真空度上升至43 Pa。说明现用真空封口接头所使用的氟橡胶O形密封圈在-40℃环境温度下无法满足真空密封要求。

图5 高低温箱温度随时间的变化曲线Fig.5 The curves of temperature variation with time in highlow temperature chamber

表2 改进前真空封口接头真空度随温度的变化Table2 The records of vacuum degree variation with temperature before improvement

图6为试验过程中高低温箱温度随时间的变化曲线。表3为改进后的真空封口接头真空度随温度的变化情况，试验累计时间1 510 min。可以看出，当高低温箱温度降至-40℃并保持720 min时，被测件1和被测件2真空度有所增加，但变化不大，当高低温箱温度进一步降至-50℃并保持720 min时，被测件1和被测件2真空度没有明显上升，说明改进后的真空封口接头在不低于-50℃低温环境下满足真空密封要求。

表3 改进后真空封口接头真空度随温度的变化Table 3 The records of vacuum degree variation with temperature after improvement

图6 高低温箱温度随时间的变化曲线Fig.6 The curves of temperature variation with time in highlow temperature chamber

4 结论

真空封口接头可靠性优化设计经过了充分分析及试验考核，结果表明改进后的产品性能稳定可靠，各项性能指标满足使用要求。真空封口接头在真空管路、阀门等设备的研制中得到了应用，结果满足设计指标要求。通过真空封口接头的可靠性改进设计工作，使低温加注设备如真空管路、阀门等的整体性能和安全性、可靠性有了较大提高，为地面发射支持系统的可靠性提供了根本保证和基本需求。

[1]毕龙生.低温容器应用进展及发展前景（三）[J].真空与低温，2000，6（1）:1-7.

[2]汪荣顺.抗强冲击低温储罐研究[D].上海：上海交通大学，2001.

[3]何家声.液氢管路绝热设计与效果分析[J].低温工程，2005（1）:17-18.

[4]古丽娜.液氢、液氧真空管路抽真空技术探讨[J].低温工程，2003（5）:13-14.

[5]陈国邦.低温工程材料[M].浙江：浙江大学出版社，1998.

[6]吴浩.真空绝热低温管漏放气速率的检测[J].测量与检测技术，2016，43（s1）：90-92.

ANALYSIS AND IMPROVEMENT OF VACUUM SEALING JOINT FOR ENVIRONMENTAL ADAPTABILITY

CAO Ling，TANG Qiang，HUANG Ling-yan，LIU Zhong-ming，WANG Peng-fei（Beijing Institute of Space Launch Technology，Beijing 100076，China）

The vacuum sealing joint is a kind of equipment which connects the cryogenic and vacuum equipment and vacuum extractor，its reliability directly affects the vacuum result，leak rate and vacuum life length.The present vacuum sealing joint use double seal and the sealing cap is brazed to the vacuum tube，so its tightness has low reliability and service performance.This paper presents a new kind of vacuum sealing joint by optimum analysis，improvement design and confirmatory test，the adaptive design is not only improving the vacuum life length but also supplying the security of the cryogenic liquid fueling system.

cryogenic；sealing joint；reliability

V245.3

A

1006-7086（2017）06-0355-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.06.009

2017-07-07

曹岭（1984-），男，北京人，硕士，高级工程师，主要从事低温设备的研究。E-mail：278653651@qq.com。