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抗事故包裝箱密封結構性能研究
發布時間:2018-09-13 17:14

 

長春紙箱包裝公司
摘要:目的 為抗事故包裝箱密封結構設計提供依據。方法 介紹2種抗事故包裝箱密封結構的設計,分析經歷事故場景后 2種密封結構的密封面變形和 O形密封圈壓縮率變化情況,開展密封性能試驗。結果 端面密封結構經歷事故場景后,O形密封圈壓縮率不小于15%時,密封結構檢測漏率為環境本底漏率,壓縮率降至10%時,漏率明顯增加,但仍能達到1 μPa·m3/s量級,壓縮率降至5%時,密封結構徹底失效。柱面密封結構的聯接螺栓即使經歷事故場景后全部失效,密封結構的密封性能也基本保持不變,檢測漏率為環境本底漏率。結論 柱面密封結構抵御事故風險的能力更強。
 
關鍵詞:抗事故包裝箱;端面密封;柱面密封;密封性能;漏率
 
國際原子能機構和世界各國一向高度重視放射性物質的安全運輸,該機構早在1961年就發表了《放射性物質安全運輸規程》,后面經過多次修訂完善,并被許多成員國采納作為制定本國標準的基礎。我國GB 11806—2004《放射性物質安全運輸規程》也等同采用了該標準的2003年修改版本[1]?!斗派湫晕镔|安全運輸規程》強調:運輸安全應放在貨包的設計與試驗上,因為運輸貨包的可靠性是安全運輸的重要前提?!斗派湫晕镔|安全運輸規程》中將用于運輸的包裝及其放射性內容物統稱為貨包,根據放射性物質的活度限值和材料限制將貨包分為例外貨包、工業貨包(1型、2型、3型)、A型貨包、B型貨包(B(U)型和B(M)型)及C型貨包,除例外貨包及 1型工業貨包外,其他貨包均需在經歷相應的貨包試驗后,保證放射性物質的漏失或彌散在規定的范圍內,才能正式投入使用?!斗派湫晕镔|安全運輸規程》中規定:B型貨包與C型貨包經歷運輸事故環境(主要為跌落沖擊試驗、耐熱試驗,其中C型貨包需要經歷90 m/s撞擊剛性靶的沖擊試驗)后,1周內放射性內容物的累積漏失中,氪-85不大于10A2,其他反射性核素不大于A2。對運輸放射性物質的抗事故包裝箱[2—4]而言,其經歷事故環境后保持密封可靠性是其關鍵性能指標。
 
跌落沖擊試驗是抗事故包裝箱滿足《放射性物質安全運輸規程》中貨包試驗要求中最重要的試驗項目之一[5]??故鹿拾b箱通常采用金屬墊片結合O形橡膠密封圈[6—7]的組合密封形式,金屬墊片能使包裝箱長期保持極高的密封指標,但在經歷跌落事故場景時,沖擊一旦造成箱體結構變形,即使是輕微變形也會使金屬墊片的密封性能大幅降低,此時包裝箱的密封能力主要通過 O形密封圈實現,利用其壓縮回彈性補償密封面的變形量[8—9],確保包裝箱在經歷事故場景后仍具有良好的密封性能以防止危險物品泄漏。
 
文中擬分析抗事故包裝箱端面密封結構和柱面密封結構的密封面在跌落事故場景下的變形以及 O形密封圈壓縮率的變化邊界,以此為基礎開展密封性能試驗獲取密封圈不同壓縮率下兩類密封結構的漏率,得到抗事故包裝箱 2種密封結構在經歷跌落事故場景后 O形密封圈失效的壓縮率臨界值和設計裕量,為類似抗事故包裝箱的密封結構設計提供參考和依據。
 
 
1.1 密封結構形式
按密封圈在抗事故包裝箱內安裝位置的不同,密封結構可分為端面密封和柱面密封2種形式,
 
 
1.2 端面密封結構
O形密封圈上、下圓周面組成了端面密封結構的密封面,密封圈通常安裝在箱體上表面的密封溝槽內,箱體與箱蓋之間采取螺栓法蘭聯接方式,施加聯接螺栓擰緊力矩使上、下法蘭面逐漸貼合,O形密封圈受擠壓發生彈性變形,進而填滿密封面上的微觀凹凸部位以實現密封。假設聯接螺栓擰緊力矩為0時,密封圈壓縮率 Kd≈0,一定范圍內增加聯接螺栓的擰緊力矩,密封圈壓縮率 Kd也隨之增大,當擰緊力矩足夠大時,可促使箱體端面與箱蓋端面貼合,密封圈達到最大壓縮率Kdmax(也稱壓縮率設計值Kds):
 
 
式中:d為密封圈直徑;d0為密封溝槽深度。
 
繼續增加聯接螺栓的擰緊力矩,密封圈壓縮率保持不變。當包裝箱經歷事故場景后,由于聯接螺栓的變形或斷裂,密封面會產生一定的分離量δy,見圖2,密封圈實際壓縮率Kd會下降(0<Kd<Kdmax):
 
 
在該情況下,密封圈壓縮率仍需確保危險物質的可靠密封。
 
1.3 柱面密封結構
O形密封圈內、外圓周面組成了柱面密封結構的密封面,密封圈通常安裝在箱蓋側面的密封溝槽內,內、外密封面之間設計一定的徑向間隙x。箱蓋安裝過程中,通過聯接螺栓擰緊力矩克服密封圈與密封面之間的摩擦阻力,密封圈受側向擠壓發生彈性變形[10—11],進而填補密封面之間的微觀間隙以實現密封。安裝過程中,柱面密封結構密封圈壓縮率設計值Kzs不隨聯接螺栓擰緊力矩變化而變化(見圖3):
 
 
由于箱體口部剛度遠小于箱蓋,假設箱蓋經歷事故場景后不變形,僅箱體口部產生塑性變形,截面形狀由圓形變為橢圓,見圖4,密封面間隙產生變化量δx。事故環境后密封圈的壓縮率Kz為:
 
 
假設箱體口部截面面積變形前后保持不變,則:
 
 
式中:r為箱蓋的半徑;a和b為箱體口部變形后橢圓截面的長、短半軸,分別對應密封圈壓縮率變化最小、最大處。由式(5)可知,在密封結構設計確定后,a和b的乘積是定值,當b最小,即箱體密封面與箱蓋密封面貼合時,在橢圓短半軸處密封圈壓縮率達到最大值Kzmax:
 
 
 端面密封結構密封圈壓縮不同狀態
Fig.2 O-ring's different compression states of end face seal structure
 
 
柱面密封結構密封圈壓縮不同狀態
Fig.3 O-ring's different compression states of cylindrical face seal structure
 
 
當a最大,在橢圓長半軸處密封圈壓縮率達到最小值Kzmin:
 
 
在該情況下,密封圈最小壓縮率仍需確保危險物質的可靠密封。
 
 
 柱面密封結構密封面間隙變化情況
Fig.4 Change in clearance of sealing face of cylindrical face seal structure
 
1.4 密封圈材料及成型要求
抗事故包裝箱O形密封圈(見圖3)以具有優良的耐老化性能的三元乙丙橡膠為基材,納米層狀無機物如蒙脫土(OMMT)、石墨等為補強材料,功能填料,采用熔融插層法制備,具有優良的耐高溫性能、氣體阻隔性能(達到 1×10−17 Pa·m3/s)及輻照環境下的耐老化性能[12]。端面密封結構的密封面在密封圈上、下圓周面,柱面密封結構密封面在密封圈內、外圓周面,考慮到密封圈分型面表面質量較差,使用時應避免密封圈分型面與密封結構密封面重合。
 
O形密封圈通常有180°和45°兩種分型方式。180°分型 O形密封圈可以用于端面密封結構,但不適用于柱面密封結構;45°分型O形密封圈既適用于端面密封結構,又適用于柱面密封結構,但考慮到45°分型密封圈制造工藝復雜,一般僅應用于柱面密封結構。
 
1.5 密封圈壓縮率設計計算
當橡膠材料壓縮率K>40%時,在高溫下容易產生較大的殘余變形,影響密封性能;壓縮率過小,密封結構同軸度相差較大時,可能導致局部范圍內沒有壓縮量,出現泄漏通道[11—12]。綜合分析決定,O 形密封圈用于柱面密封時,壓縮量取 8%~23%;O形密封圈用于端面密封時,壓縮率應為柱面密封的1.5倍。
 
端面密封結構中密封面完全貼合時,O形密封圈壓縮率為30%,即:
 
 
在柱面密封結構中保持d0與d之間的關系不變,則包裝箱最大壓縮率為30%,最小壓縮率為20%,則:
 
 
文中x相對于r為極小值,即x/r≈0,由式(12—13)可以得到:
 
 
由式(3)、式(12)、式(14)可以得出,柱面密封結構的壓縮率設計值:
 
 
說明在柱面密封結構中,壓縮率設計值為25%,在事故場景后,密封圈壓縮率最大值為30%,最小值為20%。
 
2 密封性能試驗
2.1 方法
試驗采用氦質譜檢漏法[13—15],試驗原理見圖5。檢漏前通過調節聯接螺栓擰緊力矩實現 O形密封圈的不同壓縮率,然后用真空泵將抗事故包裝箱抽至低壓,再向其內通入氦氣,最后用吸槍檢測密封結構的漏率。檢漏過程中環境本底漏率為 1.1×10−7 Pa·m3/s。
 
 
 氦質譜檢漏
Fig.5 Helium mass spectrometer leak detection
 
2.2 結果
2.2.1 端面密封結構試驗
以O形密封圈壓縮率分別為30%,25%,20%,
 
15%,10%,5%這6種狀態下,進行密封性能試驗。結果表明,O形密封圈壓縮率為30%,25%,20%及15%時,檢測漏率為環境本底漏率;壓縮率為10%時,檢測漏率為 2.1×10−6 Pa·m3/s;壓縮率為 5%時,包裝箱內充注完示漏氣體后無法保壓。
 
由此可知,密封面貼合時,密封圈壓縮率為30%,法蘭面處漏率為環境本底漏率。隨著密封面間隙增大,密封圈壓縮率下降。在壓縮率不小于15%時,檢測漏率仍為環境本底漏率,當壓縮率下降到10%時,檢測漏率明顯增大,當壓縮率降至5%時,密封結構失效。
 
2.2.2 柱面密封結構試驗
以O形密封圈壓縮率分別為20%和25%等2種狀態進行密封性能試驗。密封圈壓縮率為20%和25%時,當法蘭端面完全貼合,檢測漏率均為環境本底漏率。當聯接螺栓的擰緊力矩降低為0時,2種密封圈壓縮率下,密封結構的檢測漏率仍為環境本底漏率值,表明柱面密封結構的密封性能不受聯接螺栓的擰緊力矩影響,只要箱體與箱蓋之間不脫離,就可保證包裝箱密封性能的可靠性。
 
3 包裝箱跌落數值計算
考慮到包裝箱沖擊姿態的隨機性,這里進行5種姿態的跌落數值模擬(沖擊速度為90 m/s):箱體側碰(側碰時包裝箱與靶面碰撞時其軸線平行于靶面)、箱體頂端角碰、箱體底端角碰(角碰時箱體重心與碰靶點之間的連線與靶面垂直)、箱體頂端正碰、箱體底端正碰(包裝箱與靶面碰撞時其軸線與靶面垂直)。包裝箱經歷跌落環境后聯接螺栓的力學響應見圖6。
 
 
 不同姿態跌落后的螺栓應變
Fig.6 Bolts' strain after dropping in different postures
 
包裝箱經歷箱體底端角碰及箱體底端正碰后,聯接螺栓未出現結構破壞;包裝箱經歷箱體頂端正碰后,聯接螺栓出現局部應力集中,但未產生結構破壞;包裝箱經歷箱體頂端角碰后,部分聯接螺栓頭部出現結構破壞;包裝箱經歷側碰后,超過半數聯接螺栓被剪斷,其余聯接螺栓也出現局部應力集中。包裝箱經歷5種姿態的跌落環境后,箱蓋與箱體之間的聯接螺栓均未完全被剪斷,預計箱體與箱蓋之間不會產生脫離。
 
若包裝箱采用端面密封結構,聯接螺栓的斷裂及應力集中,會導致橡膠密封圈壓縮率降低,密封面局部比壓力(密封圈單位面積上的密封力)下降,依據密封性能試驗結果,箱體的密封性能可能會降低,甚至失效。若包裝箱采用柱面密封結構,5種跌落姿態下聯接螺栓均未全部出現結構破壞,預計箱體與箱蓋之間不會脫離,依據密封性能試驗結果,箱體密封性能基本不會產生變化。為保證箱體密封結構的有效性,建議采用柱面密封結構。
 
4 結語
 
1)抗事故包裝箱經歷事故場景后,端面密封結構密封面的間隙變化導致 O形密封圈壓縮率變化,只要壓縮率不小于15%,密封結構的密封性能與未遭遇事故前相比變化不大;壓縮率減小到10%時,密封結構檢測漏率仍能達到10−6 Pa·m3/s量級,仍然具有良好的密封能力;壓縮率降至5%時,密封結構徹底失效。
 
2)抗事故包裝箱經歷事故場景后,柱面密封結構密封面的變形會導致 O形密封圈壓縮率在不同位置發生變化,以變化后的最小壓縮率進行密封性能試驗,柱面密封結構的檢測漏率與未遭遇事故前相比基本保持不變。
 
3)柱面密封結構密封性能不受聯接螺栓擰緊力矩的影響,更適用于抗事故包裝箱設計。
 
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Seal Structure Performance of Accident-resistant Packaging Container
 
LI Na, ZHANG Si-cai, XU Wei-fang, XUE Jiang
(Institute of Systems Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621999, China)
 
ABSTRACT: The work aims to provide a basis for the design of seal structure of accident-resistant packaging container.The design of two kinds of seal structures for accident-resistant packaging container was introduced. The deformation of sealing face and the change of compression rate of the O-ring after accident scenario were analyzed, and then the sealing performance tests were conducted. When end face seal structure was subject to accident scenario, if the compression rate of O-ring was no less than 15%, the leak rate of seal structure detected was the environment background leak rate. When the compression rate dropped to 10%, the leak rate increased considerably, but it could still reach an order of magnitude of 1 μPa·m3/s. When the compression rate dropped to 5%, the seal structure failed completely. For the cylindrical face seal structure, even though all its connecting bolts failed after the accident scenario, the sealing performance of seal structure basically remained unchanged, and the leak rate detected was the environment background leak rate. The ability of the cylindrical face seal structure to resist accident risk is stronger.
 
KEY WORDS: accident-resistant packaging container; end face sealing; cylindrical face sealing; sealing performance;leak rate

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