Демонтируемые уплотнения

Приемы уплотнения алюминиевых камер с помощью эластомеров аналогичны приемам уплотнения коррозионностойкой стали; они используются широко и хорошо изучены. Реализовать металлические уплотнения оказалось труднее в силу относительной мягкости алюминия и его высокой скорости теплового расширения. Однако сегодня ряд коммерчески доступных изделий практически разрешили эти проблемы. Безусловно, металлические уплотнения являются весьма предпочтительными, поскольку газовыделение из уплотнительных колец, как правило, преобладает в газовой нагрузке в камере. Например, газовыделение одного уплотнительного кольца 100 х 5,3 мм из Витона® приблизительно равно газовыделению поверхности металлической камеры площадью 3 квадратных фута после 1 ч откачки и площадью 7 квадратных футов после 10 ч. Получение значений давления ниже 10-7 мм рт. ст. с использованием уплотнений из эластомера требует больших затрат с точки зрения необходимой быстроты откачки, если не принимаются специальные меры, в частности такие, как дифференциальная откачка или термическая обработка уплотнительных колец [18].

Теоретическая модель эффективности уплотнения

Базовый уплотнительный механизм для металлического уплотнения заключается в принудительном прессовании мягкого материала прокладки в микроскопические канавки на твердой уплотнительной поверхности, через которые может натекать газ (рис. 3). Уплотнительное давление увеличивается, материал прокладки впрессовывается глубже в канавки, сокращая поперечное сечение (отсюда проводимость) путей натекания. Давление, необходимое для достижения желаемой скорости натекания, можно оценить следующим образом [19]:

$$P=\frac{R}{3}ln[ \frac{0.34 \Delta p Lr^{2}}{Qw}], (1)$$

где р - механическое давление между прокладкой и уплотняющей поверхностью; R - коэффициент герметизации металла прокладки: 3 кгс/мм2 для мягкого алюминия, 5 кгс/мм2 для ;мягкой меди; Δр - давление газа на уплотнение (как правило, атмосферное); L - длина уплотнения; r - расстояние между пиками шероховатости на твердой поверхности уплотнения; Q - допустимая скорость течи; w - ширина уплотнения

С помощью расчетов по этой формуле была достигнута скорость натекания 10-13 мм рт. ст. л/с в уплотнении диаметра 100 мм и шириной I мм, а также шероховатостью поверхности 1 микрон (0,001 мм) с применением мягкой алюминиевой прокладки под давлением уплотнения
27,4 кгс/мм2<\sup>. Это представляет собой удобный ориентир, поскольку колебание с коэффициентом, равным 10, любого из этих параметров приводит к изменению необходимого давления уплотнения всего на 2,3 кгс/мм2. Это давление гораздо выше предельной прочности большинства мягких алюминиевых сплавов, но находится в пределах их твердости по Бринеллю (в частности 26 кгс/мм2 для 1060-Н14) [20]. Поэтому деформационное упрочнение, вызываемое значительной пластической деформацией алюминиевой прокладки, обеспечит необходимое давление уплотнения (рис. 4).

уплотняющий механизм

Рис. 3. Уплотняющий механизм демонтируемых уплотнений

давление уплотнения

Рис. 4. Давление уплотнения зависит от твердости подвергнутого деформационному упрочнению материала прокладки

Фланцы CF

Алюминиевые фланцы CF (рис. 5) создают данную пластическую деформацию посредством запрессовки острой кромки глубоко в мягкую алюминиевую прокладку. Пластическая деформация начинает возникать после проникновения всего лишь на 3 мкм и создает достаточное деформационное упрочнение для достижения сверхвысокого вакуумного уплотнения задолго до того, как поверхности фланца фактически придут в соприкосновение. Более глубокое проникновение просто расширяет площадь уплотнения, но значительным образом не увеличивает эффективное давление уплотнения. Ограничение прокладки внутри ее фланца хорошо сохраняет 5 мкм (6 мкм для меди) упругой деформации, которая может компенсировать небольшие изменения геометрии уплотнения из-за тепловых градиентов или механически индуцированную деформацию.

алюминиевые фланцы

Рис. 5. Алюминиевые фланцы CF и вакуумная камера (источник: SMC Corporation)

Уплотнения с проволочной прокладкой

В уплотнениях с проволочной прокладкой, о которых сообщается в литературе, достигается то же самое давление уплотнения посредством значительного расплющивания проволоки [21, 22]. Для них требуется меньшее усилие для затяжки болтов, чем для уплотнений CF, поскольку давление уплотнения сконцентрировано на значительно меньшей ширине.

Металлические пружинные кольца и уплотнения ромбовидной формы

Металлические пружинные кольца имеют относительно большую ширину уплотнения. Хотя среднее давление на площади соприкосновения составляет приблизительно одну треть давления, требующегося выше, рядом с центром, все-таки создающим это давление, вероятно, имеет место концентрация напряжений. Практиковалось также использование складывающейся острой кромки на пружинном кольце, изготовленном из мягкого материала, для создания высокого давления уплотнения посредством концентрации уплотняющего усилия [23]. Когда практические соображения ограничивают величину давления уплотнения, поддерживаемого пружинным кольцом, поверхность уплотнения можно либо отполировать для уменьшения члена г в уравнении (I), либо сделать более шероховатой для создания борозд, образующих зоны локального высокого давления уплотнения. Экспериментальные данные показывают, что надежное уплотнение имеет место при шероховатости поверхности ниже 1 мкм и выше 10 мкм, но не в пределах этого диапазона [24].

Соображения, касающиеся материалов

Для обеспечения продолжительного срока службы предел текучести уплотняющей поверхности должен быть значительно выше твердости материала прокладки. Алюминиевые фланцы CF имеют предел текучести равный 40 кгс/мм2, что значительно выше твердости прокладки, равной 26 кгс/мм2. Однако сплав 6061, широко используемый в качестве материала камеры, имеет предел текучести, который составляет только 28 кгс/мм2 и который может быть недостаточным для продолжительного срока службы [25]. Инертное твердое покрытие (TiC) на поверхности фланца может быть полезным для предотвращения холодной сварки с прокладкой. Без этого может потребоваться подцеплять фланцы для их разъединения при открытии. Покрытия также предотвращают образование пористых оксидов, вызывающих диффузионное натекание по уплотнению.

Вероятность нарушения уплотнения во время термической обработки

В диапазоне температур от 20 до 150 °С из-за различия в температурных коэффициентах линейного расширения алюминиевых и стальных фланцев возможно колебание размеров до 0,1%, что вызывает радиальное смещение уплотнения, равное 1 микрону на миллиметр радиуса. Также из-за различий в длине болтов и толщине фланцев зажимное усилие уменьшается на 15% при использовании алюминиевых болтов или повышается более чем на 30% при использовании болтов из коррозионностойкой стали (для первоначального натяжения при половине значения прочности на растяжение). Эти эффекты далее усиливаются температурными градиентами, которые могут легко возникать, если нагревание или охлаждение происходит слишком быстро из- за большой разницы в теплопроводности двух материалов. Для устранения этих проблем могут использоваться переходные детали от алюминия к коррозионностойкой стали, изготовленные сваркой взрывом или специальной пайкой, которые, однако, являются дорогостоящими.

Прижимные фланцы

В целях минимизации воздействий теплового расширения на целостность уплотнения демонтируемые фланцы из разных металлов обычно ограничиваются для предотвращения движения рядом с уплотнением. Это осуществляется посредством плотного прижатия их поверхностей друг к другу с тем, чтобы статическое трение между окружностями болтов предотвращало скольжение. Дифференциальное расширение создает радиальное растягивающее усилие во фланце из коррозионностойкой стали и сжатие в алюминиевом фланце, приводящие к небольшим упругим напряжениям, которые, однако, не нарушают геометрию уплотнения рядом с отверстием для стягивающего болта (рис. 6). Высокий крутящий момент затяжки болтов, примерно 300 дюймов-фунт для болтов 5/i6 дюйма, используется для фланцев CF. Целостность уплотнения была продемонстрирована во время термической обработки при 150 °С для стандартных размеров CF до 12 дюймов 126]. Аналогичные ограничители используются в других системах демонтируемых фланцев, в частности таких, как системы, используемые в ускорителе частиц LEP CERN (Европейского совета ядерных исследований |27| и в металлическом уплотнении пружинного кольца, предложенном КЕК [28].

Свободные фланцы

Иногда необходимо оставлять поверхности фланцев свободными. Например, фланцы CF могут собираться с небольшим зазором между поверхностями, позволяющим иметь дополнительную затяжку в случае будущих течей. В этом случае дифференциальное расширение вызывает качение прокладки, так что внутренняя кромка немного наклоняется в направлении алюминиевого фланца. Экспериментальные данные показали, что надежные уплотнения CF могут обеспечиваться приблизительно при качении не более 2,1 градуса [29]. Таким образом, стандартные размеры CF до 6 дюймов можно подвергать термической обработке при температуре до 150 °С без значительных течей. Поскольку алюминиевые уплотнения размягчаются при повышенных температурах, болты должны быть изготовлены из алюминия так, чтобы тепловое расширение уменьшало усилие сжатия на аналогичную величину, не давая острым кромкам врезаться глубже в прокладку. Уплотнения с проволочной прокладкой в неограниченных фланцах, по всей видимости, допускают смещение поверхности уплотнения по крайней мере до половины первоначальной толщины проволоки [30]. Металлические пружинные кольца также допускают значительное смещение.

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.