一種高壓力密封連接器的設計

楊俊釗，曹俊俊

(中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010 )

1 概述

隨著石油、勘探和海洋等產業的不斷發展，對壓力密封連接器的需求，特別是高壓力、高可靠、高密封、高絕緣連接器等器件的需求也在不斷增加。壓力密封連接器是石油、勘探和深海作業中連接各類測試儀器、儀表等裝備、設備的專用器件，是這些器件的關鍵部件。近年我所為某單位配套研制的一種高壓力密封連接器，從設計、工藝和質量控制等多方面著手，經過艱苦的努力，解決了關鍵技術難點，很好地滿足了該項目高壓力、高可靠、高密封等技術性能要求，而且制造成本遠低于國外，取得了良好的經濟效益和社會效益。本文闡述了一種壓力密封連接器的主要設計過程。

2 主要技術指標要求及外形

該壓力密封連接器為方形，由殼體、引出端和絕緣體組成，其外形見圖1。

圖1 壓力密封連接器外形

該壓力密封連接器主要技術指標：

外形尺寸mm：56×56×56；

氣密性：≤1×10-3Pa·cm3/s，在1300KPa下；

絕緣電阻：≥10000MΩ，500V；

介質耐電壓：2000VDC，0.5mA；

耐氣壓力：13600KPa；

環境溫度：-55℃～+125℃。

3 設計

3.1 壓力密封連接器材料設計選用

壓力密封連接器通常采用燒結工藝形式完成，燒結一般分為匹配封接和非匹配封接。非匹配封接主要是壓縮封接。要達到該產品的技術指標，可以采用壓縮封接，但該產品的殼體較大，封接部位也厚，燒結后容易造成應力，在受到外力作用或環境溫度突變時，容易產生破裂，降低產品的密封和電性能。因此，該壓力密封連接器適宜采用匹配封接，選用的殼體、引出端材料和玻璃材料的膨脹系數在300℃以下應接近。金屬材料的狀態還要適合機械加工。玻璃的性能要求耐環境適應性強，電性能優良，與金屬材料的浸潤好，封接的溫度和底座能夠一致。根據技術指標要求、應用環境和成本方面考慮，該壓力密封連接器的殼體材料選用專用封接的低碳鋼材料。引出端采用與玻璃和低碳鋼相匹配的鐵鎳合金4J50，玻璃主要性能參數見表1，低碳鋼化學成分見表2。

表1 玻璃性能

表2 低碳鋼化學成分

經過初樣、正樣和鑒定批試驗驗證，所選用的封接材料性能優良，可以滿足產品的性能要求。

3.2 結構設計

結構設計主要從三個方面考慮，一是器件產品的封裝性優良；二是產品的結構能滿足承受各種環境條件的要求；三是加工的工藝性優良，適合于規模生產。

3.2.1 殼體封接部位設計

殼體是壓力密封連接器的主要部分，不僅承載著壓力器件內、外連接，還要求達到優良的電性能、機械性能和環境適應性能。該壓力密封連接器采用法蘭安裝固定在裝備上，殼體較大，封接高度高，底座高度的增加不僅將造成底座的絕緣電阻成倍的下降，也導致封接部位應力的增加，易造成封接裂紋的風險和密封的失效。為此，我們在封接的設計上采用了“半填充”的設計，在不影響封接強度的前提下盡量降低封接面的高度，可靠的保證產品絕緣電阻指標。其結構采用如下圖2結構。

圖2 “半填充”封接結構

該壓力密封連接器技術指標中要求的耐壓力高達13600KPa，密封性要求也較高，采用通常的封接結構已經達不到該技術性能要求，必須考慮一種能耐高壓力的結構。目前，國內外通常的封接結構都采用圓柱面封接，見圖3a。經過計算，采用該結構不能承受技術指標要求的壓力要求。根據該產品承受的壓力方向，還可以采用錐形圓柱面封接結構，見圖3b。玻璃的特性是抗壓強度是抗拉強度是8倍以上，采用錐形封接結構可以使玻璃受到的壓力大大提高，經過計算該結構可以承受壓力要求。但是，該結構零件在多孔時的加工工藝性較差，精度較高，封接后的不同層面的壓應力不同，內應力不均衡，在受到機械外力或環境溫度變化后容易造成破裂。

a圓柱面封接結構 b 錐形結構

根據產品要求的技術指標和單位加工技術水平能力，采用一種梯形圓柱面封接結構，見圖4。根據計算和試驗，該結構的玻璃體能承受巨大的超過20000 KPa以上的外部壓力而不泄漏，殼體零件加工工藝性良好，加工精度要求不高，對玻璃體的尺寸精度也沒有特殊要求。該結構的唯一缺點是不能承受大的反向壓力。

圖4 梯形封接結構

3.2.2 密封結構設計

該壓力密封連接器采用密封圈密封，法蘭式連接在裝置上，氣密性小于1×10-3Pa·cm3/s，絕緣電阻達10000MΩ。玻璃金屬封接絕緣電阻值與封接的厚度成反比，厚度越大絕緣電阻也小。該產品殼體的厚度為9mm，理論計算的絕緣電阻值已經接近技術指標的要求， 產品電性能的可靠性下降。如果設計封接的厚度為4.5 mm，絕緣電阻值將提高一倍。該產品采用了“半填充”密封封接設計結構，見圖5。

圖5 密封結構

3.3 電性能設計

電性能是壓力密封連接器的主要性能之一，由于采用了“半填充”的設計思路，在不影響電鍍時鍍液及時排出的前提下盡量降低封接面的高度，使絕緣電阻的設計值提高了40%以上。

該產品要求引線腳與殼體之間的絕緣電阻≥10000MΩ，絕緣電阻計算公式為：

(1)

式中， R -絕緣電阻(MΩ)；

ρ-玻璃材料的電阻率(MΩ.m)；

h -底座厚度(m)；

r1、r2-分別為絕緣子的內外半徑(m)。

代入以上各值，得出絕緣電阻為：R=12.5×104MΩ，大于設計上要求的10000 MΩ，可以滿足產品的性能要求，鑒定試驗實際測試大于50000 MΩ。

3.4 氣密性設計

該壓力密封連接器要求氣密性小于等于1×10-3Pa·cm3/s，該性能指標不僅與材料選用有關，而且與預氧化層的成分和厚度控制密切相關，預氧化層的狀態設計是保證氣密性的關鍵。預氧化層厚度的控制采用氧化增重法計算，根據行業經驗，其氧化增重控制在0.3～0.7mg/cm2時，玻璃與可伐合金的封接效果可以達到較好的狀態。

氧化增重公式為：

W=(W1-W2/S)

(2)

式中， W-氧化增重(mg)；

W1-試樣氧化后重量(mg)；

W0-試樣氧化前重量(mg)；

S-試樣面積(cm2)。

按此氧化工藝及計算的產品可以滿足泄漏率≤1×10-3Pa·cm3/s的要求。經實際測試，封裝后的外殼產品的泄漏率<2×10-4Pa·cm3/s。

4 工藝設計

壓力密封連接器主要由底座、引出端、玻璃坯零件加工組成。零件加工工藝和凈化處理、預氧化處理工藝、玻璃坯制造工藝及燒結工藝的設計也是該產品達到技術性能指標要求的關鍵部分。

4.1 底座零件加工工藝

該產品底座的尺寸精度較高、外形復雜，工藝上采用先粗加工，然后在銑加工中心精加工的方法完成，較好地保證了設計的要求。封接內孔表面的粗糙度是影響封接質量的重要環節，內孔的表面粗糙度必須在Ra≤1.6μm。

4.2 底座和引出端零件凈化處理和預氧化處理工藝設計

金屬-玻璃的燒結要達到良好的的氣密性、絕緣性能和承受溫度沖擊、溫度循環等要求，必須保證封接結合部位的表面潔凈，即金屬雜質和有機雜質極少。

底座和引線零件在加工過程中會產生應力，表面受到污染。通過前清洗處理和高溫退火熱處理等手段對其表面進行凈化處理，去除表面的雜質，凈化表面，消除材料和加工中的內應力。

高溫退火熱處理采用真空退火熱處理，真空度要求不低于5×10-3Pa。按此工藝不僅保證了金屬封接部位的強度要求，也使封接產品的機械性能、電性能達到了最佳狀態。

氣密性指標不僅與材料有關，而且與預氧化層的成分和厚度控制也密切相關。產品采用成熟的氧化工藝，保溫時間為12～15分鐘，按此工藝氧化層厚度較佳。試驗證明效果良好，保證設計要求。

經實際測試，按此工藝封裝后的產品能達到2×10-4Pa·cm3/s。

4.3 玻璃坯制造工藝

制坯的尺寸精度和工藝設計都直接影響到封接性能。該產品的玻璃坯較大，排蠟、?；y度都很大，如果排蠟不徹底，將使封接后的致密度下降，絕緣電阻大大降低。經多次試驗采用多溫度段排蠟工藝在鏈式排蠟爐內完成，經初樣、正樣和鑒定試驗證明能可以很好的滿足產品的性能要求。

玻璃坯的制作工藝流程如下：

玻粉 → 烘粉 → 篩粉 → 壓坯 → 排蠟→ ?；?→ 檢驗

4.4 底座與玻璃燒結工藝設計

底座燒結是本產品封接性能達到設計要求的最終環節，是整個密封連接器的關鍵。燒結的溫度根據玻璃粉的燒結溫度和零件的大小、放置的多少確定。燒結在鏈式燒結爐內完成。燒結的后段，需在485℃溫度時段，增加了保溫20～30分鐘去應力退火，使其在受到外部高、低溫度循環變化和一定機械外力的作用下仍然不至于受到破壞。

經測試，燒結后的封接強度很高，能夠承受規定的試驗條件考驗。實際測試該產品的一根引線能夠承受5Kg的拉力而不影響密封性。

5 技術難點及措施

1)抗高氣壓力是技術難點之一。設計上采用“梯形圓柱面”封接設計結構，同時采用匹配封接，保證產品在規定的使用環境下能承受各種冷熱的沖擊。工藝、質量控制上嚴格各工藝規范，保證封接強度。很好的解決了該技術難點。該結構的唯一缺點是不能承受大的反向壓力。

2)絕緣電阻是該產品的技術難點之二。設計上采用了“半填充”的設計，使絕緣電阻提高約30%，實際值達到500000MΩ以上。

6 結束語

通過對該壓力密封連接器的結構分析、設計和多次工藝試驗、攻關，較好地保證了外殼的高壓力、高密封、高絕緣性能，為其他高壓力密封連接器的設計提供了良好的借鑒。