關于水冷系統管路常見密封方式的研究

楊偉龍，郭紹強，洪春鳳，符夏穎，羅毅強，蒙元楷

(廣州高瀾節能技術股份有限公司，廣東 廣州 510663)

在水冷管路系統，泄漏是最大的故障之一，因此泄漏一直被列為重點研究和預防的課題。造成管路泄漏的原因主要是：由于機械加工的質量，機械加工過程不可避免會存在各種缺陷和加工偏差，如表面粗糙精度過低，平整度不夠等，這些缺陷在機械零件裝配后聯接處不可避免地會產生間隙，密封兩側的介質會存在壓力差，工作介質就會通過間隙而產生泄漏。密封的作用就是采取有效的密封措施封住機械零件接合面間的間隙，切斷泄漏通道。

通過研究產生泄漏的原因，再基于這些原因提出解決泄漏的方案，通過試驗驗證解決方案的可行性，這是密封技術產生的基本方法。本文通過深入研究水冷系統的密封技術，以期尋求更有效的密封方式。

1 法蘭密封

1.1 法蘭密封基本結構

法蘭密封一般由法蘭連接件，緊固螺栓，密封墊片組成，如圖1所示。

圖1 法蘭密封基本結構

1.2 法蘭密封原理

法蘭密封是靠緊固螺栓的緊固力壓緊密封墊片，使其本身發生彈性或塑性變形，以填滿密封面上的微觀凹凸不平來實現密封。也就是利用密封面上的比壓使介質通過密封面的阻力大于密封面兩側的介質壓力差來實現密封。

1.3 法蘭密封泄漏原因

1.3.1 密封墊片的性能和質量

密封墊片的性能和質量是影響密封效果的最重要因素之一，現實中的泄漏經常是與選用性能不好或質量差的材料做密封墊片有關。因此密封墊片選材很關鍵，密封墊片選材的基本要求如下：

1)在工作介質中有良好的穩定性，不易膨脹收縮、不易溶解、不易軟化和硬化；

2)在工作介質中壓縮恢復性大，永久變形小；

3)良好的機械強度和硬度，不易受工作介質影響；

4)耐熱性、耐寒性及吸振性能好；

5)耐磨性好，縻擦系數小；

6)材料密實；

7)具有與密封面貼合的柔軟性和彈性；

8)耐老化性好。

1.3.2 法蘭密封端面的光潔度

法蘭密封端面的粗糙精度達不到，或密封端面加工后有刮痕、沙眼，安裝時沒把密封端面的雜質清理干凈，這些都可能導致泄漏的發生。

1.3.3 法蘭、墊片和螺栓不匹配

選用的法蘭、墊片和螺栓等級不匹配，也可能導致泄漏，比如選用螺栓等級偏低，導致密封墊片壓緊力不夠，而沒法完全消除密封端面的微小間隙就會產生泄漏。

1.4 法蘭密封設計要點

上文綜合分析了法蘭密封發生泄漏的原因，針對這些原因將其納入設計關鍵點，從源頭上將泄漏風險點一一消除。

1.4.1 法蘭密封端面的精度要求

設計時根據實際需求合理定義法蘭密封端面的粗糙度、平面度、垂直度的精度。密封端面粗糙精度越高，工作介質泄漏的間隙就越小，密封可靠性越好，當然并不是粗糙度越高越好，要考慮到現時工藝的可制造性、加工成本和實際需求。密封端面的平面度、垂直度影響到密封墊片所受壓緊力的均衡性，一般平面度和垂直度精度越高，密封墊片所受壓緊力越均衡，密封性越好。水冷管道系統的流體壓力一般在1.5 MPa以下，屬于低壓型，法蘭以突面法蘭為主，其密封端面精度要求如圖2所示。

圖2 法蘭密封端面的精度要求

1.4.2 密封墊片的選型

法蘭密封設計的關鍵除了法蘭結構設計滿足工況壓力等級需求，還要密封墊片的選型，密封墊片選型需要綜合考慮工作環境、工作介質特性和墊片的材料性能，選型原則如下：

1)氣密性：密封墊片在滿足工作溫度和工作壓力下具有良好的密封性；

2)抗蠕變性：密封墊片的抗蠕變性能防止在工作溫度和工作壓力作用下緊固螺栓扭矩損失，防止墊片的表面應力減小；

3)耐腐蝕性：密封墊片對工作介質必須具有耐腐蝕性；

4)回彈性：管道系統在運行過程溫度和壓力會有微小變化，從而造成密封間隙有微小變化，密封墊片的回彈性應能彌補該間隙的變化；

5)無黏性：密封墊片在使用過程和使用后不易和法蘭產生黏接；

6)無腐蝕性：密封墊片不能對法蘭材質有腐蝕作用；

7)耐高低溫性能：選用的密封墊片應滿足管道系統最高環境溫度和最低環境溫度要求。

可以根據工作介質的類型、溫度變化范圍、氣候等條件對照各種密封材料的性能，選用與之匹配的密封墊片。常見幾種密封材料的性能對照表如表1所示。

表1 常見密封材料性能對照表

1.4.3 法蘭連接螺栓的選型

不同規格法蘭和壓力等級配套的螺栓規格和螺栓數量也不同，表2是壓力為16 bar時標準法蘭配套的螺栓選型表。

表2 標準法蘭緊固螺栓選型表(壓力Pg=16 bar)

2 螺紋連接密封

在水冷管路系統，螺紋連接是另一種非常普遍的連接方式，也是最容易發生泄漏的連接方式，所以螺紋連接的密封問題被列為重點關注的問題。

2.1 螺紋連接簡介

水冷系統里面，連接螺紋的種類主要有兩種，普通螺紋和管螺紋。

普通螺紋的牙型符號為“M”，普通螺紋分為粗牙普通螺紋和細牙普通螺紋。同一公稱直徑的粗牙普通螺紋只有一種螺距，因此其螺距不必標注；同一公稱直徑的細牙普通螺紋，則有一種或多種螺距。因此，細牙普通螺紋必須標出螺距。

管螺紋分為非螺紋密封的管螺紋和用螺紋密封的管螺紋兩種，均為英寸制。標注管螺紋時，應標注螺紋的牙型符號和尺寸代號，非螺紋密封的外管螺紋還應標注公差等級。螺紋左旋時，應在尺寸代號后加注“LH”，并用“-”隔開。管螺紋牙型符號分別是：

G：非螺紋密封的內、外管螺紋；

Rp：用螺紋密封的圓柱內管螺紋；

Rc：用螺紋密封的圓錐內管螺紋；

R：用螺紋密封的圓錐外管螺紋。

2.2 用螺紋密封的管螺紋連接密封

用螺紋密封管螺紋連接是一種用螺紋密封的連接方式。密封主要賴于內外螺紋在牙頂、牙底和牙側的完全密合，任何部位的間隙都會造成泄漏，因此必須在旋緊的過程中使內外螺紋本身材料產生一定的變形，以填補這些間隙，使用時可在螺紋副內加入密封填料如聚四氟乙烯、生料帶等，以提高其密封性。

2.2.1 配合方式

管螺紋連接密封的配合方式有兩種，一種是圓柱內螺紋-圓錐外螺紋，另一種是圓錐內螺紋-圓錐外螺紋，兩種配合方式如圖3。

圖3 圓錐管螺紋密封配合方式

2.2.2 兩種配合方式的配合特點及應用場合

圓柱內螺紋-圓錐外螺紋配合：易于實現密封，因為扭緊時扭緊力矩集中于內外螺紋的一環上，使之處于過盈態 ，并產生擠壓變形，也有易于破壞的缺點，常用于低壓工作載荷的場合。

圓錐內螺紋-圓錐外螺紋配合：螺紋副同時在整個錐面上接觸，扭緊時受力不勻，加之受到多個要素一致性不好的影響，很難實現完整的密合，但是一旦實現密封后，不易被破壞，常用于高壓變化載荷的場合。

2.3 非螺紋密封管螺紋連接密封

非螺紋密封管螺紋連接密封的密封結構有兩種。一種是在螺紋副里添加密封填料如生料帶等，填補螺紋副之間的空隙實現密封，這種方式適用于低壓場合下；另一種是在兩個螺紋連接件之間加O型圈，兩個螺紋連接件旋緊擠壓O型圈進行密封，這種方式適用于較高壓力的場合。下面著重探討第二種方式下密封結構設計。

2.3.1 非螺紋密封管螺紋連接密封結構設計

由于非螺紋密封螺紋連接是依靠兩螺紋連接件之間的O型圈實現密封，所以在其中的一個連接件需開一個密封溝槽安裝O型圈。一般地，密封溝槽開在兩連接件的接觸端面上，密封溝槽開槽深度保證O型圈安裝后突出接觸端面一定高度，該高度由O型圈安裝標準確定，圖4為一種管螺紋接頭及其密封結構設計圖。

圖4 螺紋接頭密封結構

這種接頭配規格為Φ14.8(內徑)×Φ2.4(線徑)的O型圈，由圖上尺寸可知密封溝槽深度為1.8 mm，安裝O型圈后保證適于密封的壓縮率。為保證良好的密封性，接觸端面必須保證光潔無刮痕，粗糙等級達到Ra3.2。

如圖5是一種典型的內外螺紋接頭密封結構設計，其密封原理是通過旋緊螺紋副，使外螺紋連接件的接觸端面壓緊O型圈，當O型圈被擠壓到一定程度完全填補接觸端面內外之間的空隙而實現密封。

將骨痛癥狀、分化程度、骨轉移數目、骨轉移部位、合并骨外轉移、初診臨床分期、初診時ECOG(東部腫瘤協作組)評分、化療等預后因素納入Cox回歸模型分析得到，合并骨外轉移、初診時ECOG(東部腫瘤協作組)評分和化療是影響胃癌骨轉移患者的獨立因素，合并骨外轉移是最大的危險因素，見表2。

圖5 內外螺紋連接的密封結構示意圖

圖6 管芯錐頭的密封結構圖

圖6為水冷系統里面另一種典型的螺紋連接密封方式，其密封原理是通過錐管螺母和對絲接頭的螺紋連接，旋緊錐管螺母，使管芯錐頭和對絲接頭兩平行密封面之間的間隙越來越小，擠壓O型圈到一定程度填滿間隙而實現密封。這種密封結構可以承受的介質壓力比較大，可以在較大的壓力環境下使用。

2.3.2 密封圈的選型

螺紋連接的密封圈一般使用O型圈，相對于平墊圈而言，O型圈的性能要求要高一點，除了要具備上文所述密封墊片的八個重要特性之外，還要考慮其壓縮率和拉伸量。

2.3.2.1 O型圈的壓縮率

壓縮率W通常用下式表示：

W=(d0-h)/d0×100%

d0—O型圈在自由狀態下的截面直徑(mm)；

h—O型圈槽底與被密封表面的距離(溝槽深度)，即O型圈壓縮后的截面高度(mm)。

在選取O形圈的壓縮率時,應從如下三個方面考慮：

①要有足夠的密封接觸面積；

②摩擦力盡量小；

③盡量避免永久變形。

O型圈密封結構設計時要保證足夠大的壓縮率，壓縮率過小會造成密封面接觸壓力過小而導致密封失效產生泄漏。壓縮率較大可獲得較大的接觸壓力，因此密封性更好，同時壓縮率不能無限制增大，壓縮率過大會增大滑動摩擦力和永久變形。因此，在選擇O形圈的壓縮率時，要權衡各方面的因素。水冷管路系統屬于平面靜密封，從工程應用情況一般取W=15%～30%。

2.3.2.2 O型圈的拉伸量

一般O型圈結構設計時密封溝槽尺寸設計會根據O型圈外形尺寸進行設計，O型圈安裝到密封溝槽后一般都有一定的拉伸量。與壓縮率一樣，O型圈拉伸量不能過大，拉伸量過大會導致O型圈因截面直徑d0發生變化而使壓縮率降低，以致引起泄漏。拉伸量a可用下式表示：

α=(d+d0)/(d1+d0)

式中

d—軸徑(mm)；

d1—O形圈內徑(mm)。

從O型圈密封結構設計考慮和工程安裝經驗一般拉伸量的取值范圍為1%～5%。

3 結語

密封性能對于水冷系統來說非常重要，由于密封性不良而產生泄漏對企業造成的危害很大，不僅會增加產品的維護成本，降低了企業的利潤，而且還會影響企業產品質量的提升，因此，研究可靠的密封技術很有必要，有助于提高水冷系統管路設計合理性，從而提高產品的可靠性。