降低过滤器报废率工艺研究

赵尔华，邢柏强，张连冬，路来平，刘永珍，王 彬，张 桐，吴 盟

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

0 引言

过滤器是航天产品用试验系统和试验台中控制多余物的主要元件，在使用过程中，空气过滤器要求每半年鉴定一次，在鉴定过程中，分解过滤器时，常常发生一部分过滤器因壳体、接头螺纹咬死而不能取出滤芯的问题，导致过滤器彻底报废，另外一部分过滤器虽然能分解开，但需对螺纹进行修复后方能使用，如图1 所示。随着过滤器鉴定次数的增加（反复分解、组装），过滤器接头和壳体螺纹咬死、咬伤数量明显增加。据统计我厂过滤器报废率高达36%，严重影响了产品生产进度。相关文献表明润滑脂润滑不够会增大螺纹摩擦导致螺纹要咬死，拧紧力矩过大可能导致螺纹接触面压溃，使螺纹断裂、变形脱扣导致咬死[1]。为改善过滤器接头和壳体螺纹咬死、咬伤现象，以1TY26 系列过滤器为研究对象，对降低过滤器报废率的方法进行改进。

图1 壳体、接头螺纹损伤情况

1 1TY26 过滤器

1.1 1TY26 过滤器结构及密封原理

1TY26 过滤器主要由壳体、接头、滤芯和密封垫四部分组成，滤芯是过滤器的核心元素，能够过滤气源中的多余物，使受到污染的气体被净化。1TY26 系列过滤器结构如图2 所示。

图2 1TY26 系列过滤器结构示意图

1TY26 系列过滤器主要是通过螺纹备紧，压迫铝制密封件变形，实现过滤器的密封性能，在过滤器的鉴定中使用的润滑脂为特221 润滑脂，使用的密封垫材料为铝制（L4-M）垫圈，由于在操作过程中拧紧接头与壳体连接处的螺纹没有力矩要求，在装配过程中，为了保证过滤器不漏气，操作者用力拧紧螺纹时，螺纹承受的力矩值可能已经超过材料允许的极限值。根据相关文件规定，航天专用气密试验系统或试验台内用所有过滤器的定期校验标定工作每半年进行一次，随着过滤器鉴定次数的增加，过滤器接头、壳体咬死、咬伤现象明显增加，严重影响了主产品车间的正常使用要求，同时增加生产成本。

1.2 1TY26 过滤器定期校验流程

在过滤器定期校验工作中，需将过滤器分解，取出滤芯进行清洗，去除多余物，然后进行组装，过滤器的定期校验流程如图3 所示。过滤器的定期校验过程中，分解壳体与接头时易发生螺纹咬死、咬伤现象而导致过滤器报废。

图3 过滤器定期校验流程图

2 过滤器螺纹咬死原因分析

过滤器的密封主要是通过对接头施加预紧力，将铝制密封件压紧，使得铝制密封件产生压缩变形，当预紧力达到一定数值后，密封件变形并填满壳体与接头之间的缝隙，从而实现密封要求。在实际生产过程中螺纹及密封垫涂抹特221 润滑脂，拧紧力矩无具体数值要求，为保证产品的密封性能，操作者利用加长扳手，最大力气拧紧螺纹（用等长的力矩扳手，相近的施力条件，模拟得出此力矩值最小500 N·m），最终导致连接螺纹损坏。

对过滤器复验的整个工艺流程进行试验分析，最终得出：在工作过程中为保证产品的密封性能，施加了过大的拧紧力矩，即：拧紧力矩超出材料能够承受的极限值，导致在分解过程中发生螺纹咬伤、咬死现象。

要解决这一问题，就必须要减小力矩值，同时既要保证过滤器的密封性，又要保证过滤器分解后螺纹的完好性。因此从提高密封性能和降低拧紧力矩两个方面分析降低过滤器报废的问题。

2.1 润滑脂选择不合理

1TY26 系列过滤器壳体与接头的材料均为2Cr13不锈钢，相关研究表明，不锈钢螺纹联结之所以经常发生咬死，主要是由于不锈钢金属合金本身会在表面受到破坏时，在金属表面产生一层薄薄的氧化层来防止进一步的更深入的损伤，正是由于不锈钢及其合金的这种防锈蚀性，使得不锈钢螺纹联结咬死的情况极易发生[2]。缺少润滑作用的螺纹在相互作用时易发生粘着磨损，螺纹副之间相互作用产生的摩擦和热量加剧了这种联结损伤，导致螺纹发生塑性变形，相互之间的配合关系被破坏，螺纹最终咬死而无法分解。因此选择合适的润滑脂能够减少粘着磨损的发生，从而能够避免螺纹咬死、咬伤现象的发生。

2.2 拧紧力矩不合理

拧紧力矩大小直接影响过滤器的装配质量及密封性能，拧紧力矩过小，密封垫压紧力不够，导致过滤器发生漏气现象；拧紧力矩过大，超出材料承受极限将导致螺纹发生破坏，甚至断裂。因此在装配过程中合理控制壳体与接头间螺纹联结的拧紧力矩，是保证过滤器质量的有效措施之一。

已有文献论证了润滑状态的改变对螺栓拧紧力矩有一定的影响，对需严格控制螺栓拧紧力矩的场合，尤其是高预紧力的运用场合，在螺栓紧固时，需对螺纹进行充分润滑，可降低拧紧力矩值[3]。因此当使用润滑脂时能够适当减小拧紧力矩，从而可以有效减少螺纹的咬死、咬伤现象。从润滑脂和控制拧紧力矩两方面进行试验，解决过滤器分解过程中壳体与接头螺纹发生咬死、咬伤的问题，降低过滤器报废率。

3 过滤器螺纹咬死问题解决方法

3.1 更改润滑脂

润滑脂具有润滑和粘附性，覆盖在摩擦副表面，起到一定的密封和防尘作用[4]，在以往过滤器组装工作中，常使用的润滑脂是特221 润滑脂，经过多年过滤器鉴定工作的经验总结，此种润滑脂对保护螺纹及过滤器的密封性能方面都不太理想。抗化学介质润滑脂7804 号（以下称7804 润滑脂）具有较宽的温度范围、优良的化学稳定性和氧化稳定性以及良好的润滑性，能够减少螺纹运动副之间摩擦，避免螺纹咬死、咬伤、以及增强润滑等性能，广泛应用于加注和供气系统中[5]。从表1 可以看出7804 润滑脂的相似粘度高于特221 润滑脂，相似粘度高的润滑脂可以提高机械连接的密封性及连接件表面的润滑性。因此螺纹及密封垫处涂抹7804 润滑脂，其润滑及密封效果均优于特221 润滑脂。在过滤器的校验工作中，通过在过滤器密封垫及壳体、接头螺纹上涂7804 润滑脂有效提高了过滤器的密封性能，降低了过滤器螺纹咬死、咬伤现象。7804 润滑脂和特221 润滑脂性能对照见表1。

表1 7804 润滑脂和特221 润滑脂性能

针对7804 润滑脂和特221 润滑脂分别选取100个过滤器进行试验，在35 MPa 工作压力下进行试验，试验结果见表2。从表2 可以看出7804 润滑脂对螺纹的润滑效果优于特221 润滑脂，过滤器报废率由40%下降至15%。

3.2 量化拧紧力矩

3.2.1 最大极限拧紧力矩计算

1TY26 系列过滤器使用铝制（L4-M）密封垫（平垫），依靠密封垫与接触面的压紧实现密封作用，这种密封结构须通过螺纹紧固件在垫片上施加一定压力，使垫片变形后充满间隙，所需螺栓拧紧力矩大，容易损伤螺纹。

过滤器拧紧时，扳手力矩是克服螺纹副的螺纹阻力矩T1 及接头与壳体支撑面间的端面摩擦力矩T2；1TY26 系列过滤器壳体与接头材料均为2Cr13，螺纹为M33，最大工作压力为35 MPa，材料的抗拉强度σb≥520 MPa，屈服极限σs≥440 MPa，采用工程中常用的拧紧力矩计算式：

式中：K为当量拧紧力矩系数，按照有润滑、一般加工表面取0.13～0.15，取值为0.13；d为螺栓的公称直径取33mm；F0 为预紧力，单位为千牛顿（kN），一般为螺栓、螺母、被连接件中最低屈服强度的35%，或按照设计要求确定[6]；As为螺栓危险截面的面积；σs为螺栓材料的屈服极限σs=440 MPa；d2为外螺纹中经mm，d2=30.727 mm；d3为螺纹的计算直径d3=d3-H/6（其中H为螺纹原始三角形高度）。

经计算，1TY26 系列过滤器的拧紧力矩不能超过458 N·m，而在实际操作中为确保过滤器密封性，拧紧实际力矩值超过500 N·m，超出材料能够承受的极限值，致使过滤器壳体、接头螺纹咬死或咬伤。

3.2.2 最小密封拧紧力矩计算

在过滤器接头螺纹上施加预紧力后，密封垫片承受初始的压缩力，使得密封垫片压缩变形填满接头与壳体之间的密封间隙，形成初始密封效果。当过滤器通道承受介质压力时，接头螺纹受到拉伸应力而出现伸长趋势，接头与壳体的密封面产生分离，密封面与垫片之间的压紧力下降，当压紧力下降到小于有效紧固力时，密封处就会发生泄漏，因此，密封垫片承受的最小紧固力必须大于管道内的介质压力，预紧力约为工作压力产生轴向力的1.1～1.6 倍，过滤器工作介质压力为35 MPa，强度试验压力为工作压力的1.5 倍，因此过滤器介质通道承受的最大压力位P=52.5 MPa，接触面积S=640 mm2。

取1.6 倍的轴向力系数，采用工程中常用的拧紧力矩计算公式计算对应的最小需用拧紧力矩为：

经计算，为保证过滤器在工作过程中不发生泄漏失效，1TY26 系列过滤器的拧紧力矩不小于231 N·m，当拧紧力矩小于最小需用拧紧力矩时过滤器即会发生泄漏造成密封失效。

3.2.3 过滤器接头有限元模型建立

按照《工业金属管道安全技术规范》钢材基本许用应力的确定准则，在常温工况下，钢材的许用应力取1/3 抗拉强度与2/3 屈服强度的较低值。过滤器壳体与接头材料的抗拉强度σb≥520 MPa，屈服极限σs≥440 MPa，经计算：

通过过滤器结构可以看出过滤器螺纹连接在装配时拧紧力矩是克服螺纹副的螺纹阻力距及接头与密封垫支撑面间的端面摩擦力矩，为简化计算过程，对连接模型进行简化，壳体与接头螺纹采用绑定约束，壳体与接头端面支撑采用面与面接触，分别施加螺纹458 N·m 拧紧力矩（对应预紧力F=108055 N）和350 N·m 拧紧力矩（对应预紧力F=81585 N），经过ABAQUS 软件仿真分析，得到接头的应力云图如图4和图5 所示，施加458 N·m 拧紧力矩时最大应力为212 MPa，超过了材料的许用应力值；施加350 N·m拧紧力矩时最大应力为162 MPa，低于材料的许用应力值。

图4 施加458N·m 力矩时应力云图

图5 施加350N·m 力矩时应力云图

通过ABAQUS 有限元分析应力云图可以看出，当施加458 N·m 拧紧力矩时最大应力值已超出了材料的许用应力，因此在保证过滤器密封不发生泄漏失效，同时保证在拧紧力矩作用下材料承受的应力不超出许用应力，最终将拧紧力矩确定为350±10 N·m。

3.3 试验验证

针对上述计算结果，开展试验验证，试验过程中过滤器通道工作压力为，在35 MPa 压力，使用7804润滑脂进行润滑，具体试验验证结果见表3。

表3 过滤器力矩试验统计表

通过表3 的实验结果可以看出拧紧力矩超过400 N·m 时密封情况良好，但螺纹有损伤；拧紧力矩为300 N·m 时，螺纹没有损伤，但是发生漏气现象；拧紧力矩为350 N·m 时，螺纹没有损伤也没有漏气现象。故综合理论计算与试验结果将拧紧力矩定为350±10 N·m。

4 结论

经过大量的生产实践证明，通过使用7804 润滑脂和控制量化拧紧力矩350±10 N·m 的过滤器，在试验中，密封效果良好，分解后检查，螺纹完好。

使用7804 润滑脂和控制量化拧紧力矩350±10 N·m的过滤器，既保证了1TY26 过滤器的密封性能，同时也将因过滤器壳体与接头螺纹咬、死咬伤现象导致的过滤器报废率降至0，提高了过滤器的重复利用率，降低了过滤器的报废率，提高产品生产效率，降低生产成本。