O形圈静密封设计研究

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摘要：在我公司生产的石油仪器产品中，经常会用到O形圈静密封结构。这种结构看似简单，但对产品耐压指标和可靠性的影响很大。本文通过对O形圈静密封结构的故障机理、加工工艺性、设计参数进行分析，提出了适用于公司现状的O形圈静密封设计规则，为以后的设计工作提供了借鉴依据。

关键词：O形圈 静密封 故障机理 设计规则

1、概述

在我公司生产的石油仪器产品中，经常会用到O形圈静密封结构。这种结构看似简单，但对产品耐压指标和可靠性的影响很大。因此，通过对故障机理、加工工艺性、设计参数进行分析，确定一种适用于公司现状的O形圈静密封设计规则，在可靠性设计和标准化设计角度具有重要意义。

2、常用密封结构介绍

石油仪器中常用的静密封结构见图1所示。其优点为连接方便、尺寸紧凑，大量用于高压密封部位。其常见故障是粘扣和密封失效。

图1

3、故障机理分析

3.1密封失效原因分析

密封失效表现为产品进水或标定时漏油，其直接原因是O形圈受压变形后产生的弹性不足以补偿零件表面缺陷，没有起到封严作用。而导致这种问题的根本原因有四个方面：一是拉伸率或压缩率选择不合理，O形圈与密封面之间存在间隙；二是金属零件密封面表面有严重缺陷，O形圈无法补偿缺陷内空隙；三是O形圈在装配过程中切伤；四是沟槽间隙过大，在高压下O形圈一部分挤入沟槽间隙内，被咬伤或剪切撕裂而造成挤出破坏。

3.2粘扣原因分析

因O形圈静密封导致螺纹粘扣的原因主要有两点：一是为保证耐压指标，配合间隙设计值偏小，不能补偿零件同轴度偏差的影响，导致零件旋合过程中粘扣；二是O形圈的预紧力过大，旋合过程中零件受到径向推力影响，发生干涉粘扣现象。

4、设计参数分析

4.1拉伸率

拉伸率的大小影响着O形圈与连接头的贴合程度。按《航天产品设计标准手册》规定，拉伸率a的计算方法见公式（1）。

式中：d0――沟槽内直径，单位mm；

d――自由状态的O形圈内直径，单位mm；

W――自由状态的O形圈截面直径，单位mm。

在工作介质为油时，《航天产品设计标准手册》要求拉伸率应在1.03～1.04之间。需要注意的是零件的实际尺寸是有偏差的，如果极限尺寸条件下，拉伸率无法同时满足上下限要求时，应优先保证下限指标要求。这是因为O形圈在使用过程中会产生热膨胀，并且会产生永久压缩变形。如果拉伸率过小，O形圈会和沟槽内径的表面分离，影响密封效果。

4.2压缩率

拉伸率的大小影响着O形圈与连接管的贴合程度和O形圈的预紧力。按《航天产品设计标准手册》规定，压缩率K的计算方法见公式（2）。

式中：D0――沟槽外直径，单位mm。

按《航天产品设计标准手册》要求，在工作介质为油时，压缩率应在15%～25%之间。但是根据实际使用效果看，这一取值范围只是参考数值，并不能保证这一范围内的压缩率都适用。现在分析压缩率应该只要能为密封圈提供预紧力即可，使用时在外界压力作用下密封圈可以自密封。因此压缩率可以适当减小，以减小预紧力，降低粘扣和密封面划伤的概率。但是减小的后的压缩率应保证在极限尺寸条件下密封圈有压缩量。

4.3沟槽宽度

按《航天产品设计标准手册》要求，沟槽侧壁对O形圈不应挤压，应留有0.3W～0.5W的间隙。但我公司设计产品时，为了缩短仪器长度，缩小了沟槽宽度。如果O形圈变形后同时与沟槽的两个侧壁接触，会增大预紧力，增加了质量隐患。因此，在以后的产品设计过程中，应适当增加沟槽宽度，消除额外的O形圈预紧力。

4.4沟槽间隙

沟槽间隙是密封设计中的一个重要指标，其数值可简单理解为密封面配合间隙的一半。沟槽间隙的大小直接决定了产品的耐压能力，如果沟槽间隙过大，会导致O形圈受压后发生剪切破坏。按照《航天产品设计标准手册》的介绍，胶料硬度为80～90，O形圈截面直径为（1.9～3.5）mm时，为密封32MPa的压力，沟槽间隙不应大于0.07mm。在沟槽间隙上限值确定的情况下，还需要确定沟槽间隙的下限值。沟槽间隙下限值的作用是补偿同轴度误差。

如果耐压指标进一步提高，理论上可以采用减小沟槽间隙和增加挡圈两种办法，优先选用增加挡圈的密封方式。

4.5 O形圈材料

我公司常用的O形圈材料有试5171、5080、FX-6和FX-17。其中FX-17价格昂贵，气体渗透率低，主要用于气井用产品的密封。其它几种胶料的选择首先考虑温度特性，对于温度上限指标在100℃以上的产品，应选用FX-6橡胶；温度下限指标在-20℃以下的产品，应选用丁腈橡胶。由于在同等尺寸情况下，较硬的O形圈可以承受更高的密封压力，较软的O形圈可以补偿更大的尺寸偏差，所以压力较高时应选择高硬度橡胶，压力较低时可选择低硬度橡胶。根据以往经验，45MPa以上产品应选用FX-6；45MPa以下产品宜选用5080；10MPa以下产品可选用试5171。

4.6密封面粗糙度

密封面的粗糙度指标影响着密封面的表面质量，如果过于粗糙，则O形圈难以有效补偿密封面缺陷，会导致密封失效。根据目前使用情况分析，Ra0.8的粗糙度指标属于经济精度要求，加工难度不高，而且能满足使用要求。

5、设计规则总结

综上所述，确定以下几条O形圈静密封设计的规则，供以后设计借鉴：

a) a)100℃以上和45MPa以上的产品，优选FX-6胶料，10MPa以下产品可选用试5171胶料，其它情况选用5080胶料；

b) b)O形圈拉伸率不能同时满足上、下限要求时，应优先保证下限要求。

c) c)O形圈压缩率尽量减小，保证极限条件下有压缩量；

d) d)密封沟槽宽度保证足够的宽度间隙；

e) e)选取合适的密封沟槽间隙，60MPa以上密封指标增加挡圈；

f) f)密封面按粗糙度Ra0.8。

参考文献：

[1]航天产品设计标准手册[M].航天工业部第七八研究所，1984年8月第一版

[2]中国航空材料手册[M].中国标准出版社，1989年2月第一版