杨伟龙，郭绍强，洪春凤，符夏颖，罗毅强，蒙元楷

(广州高澜节能技术股份有限公司，广东 广州 510663)

在水冷管路系统，泄漏是最大的故障之一，因此泄漏一直被列为重点研究和预防的课题。造成管路泄漏的原因主要是：由于机械加工的质量，机械加工过程不可避免会存在各种缺陷和加工偏差，如表面粗糙精度过低，平整度不够等，这些缺陷在机械零件装配后联接处不可避免地会产生间隙，密封两侧的介质会存在压力差，工作介质就会通过间隙而产生泄漏。密封的作用就是采取有效的密封措施封住机械零件接合面间的间隙，切断泄漏通道。

通过研究产生泄漏的原因，再基于这些原因提出解决泄漏的方案，通过试验验证解决方案的可行性，这是密封技术产生的基本方法。本文通过深入研究水冷系统的密封技术，以期寻求更有效的密封方式。

1 法兰密封

1.1 法兰密封基本结构

法兰密封一般由法兰连接件，紧固螺栓，密封垫片组成，如图1所示。

图1 法兰密封基本结构

1.2 法兰密封原理

法兰密封是靠紧固螺栓的紧固力压紧密封垫片，使其本身发生弹性或塑性变形，以填满密封面上的微观凹凸不平来实现密封。也就是利用密封面上的比压使介质通过密封面的阻力大于密封面两侧的介质压力差来实现密封。

1.3 法兰密封泄漏原因

1.3.1 密封垫片的性能和质量

密封垫片的性能和质量是影响密封效果的最重要因素之一，现实中的泄漏经常是与选用性能不好或质量差的材料做密封垫片有关。因此密封垫片选材很关键，密封垫片选材的基本要求如下：

1)在工作介质中有良好的稳定性，不易膨胀收缩、不易溶解、不易软化和硬化；

2)在工作介质中压缩恢复性大，永久变形小；

3)良好的机械强度和硬度，不易受工作介质影响；

4)耐热性、耐寒性及吸振性能好；

5)耐磨性好，縻擦系数小；

6)材料密实；

7)具有与密封面贴合的柔软性和弹性；

8)耐老化性好。

1.3.2 法兰密封端面的光洁度

法兰密封端面的粗糙精度达不到，或密封端面加工后有刮痕、沙眼，安装时没把密封端面的杂质清理干净，这些都可能导致泄漏的发生。

1.3.3 法兰、垫片和螺栓不匹配

选用的法兰、垫片和螺栓等级不匹配，也可能导致泄漏，比如选用螺栓等级偏低，导致密封垫片压紧力不够，而没法完全消除密封端面的微小间隙就会产生泄漏。

1.4 法兰密封设计要点

上文综合分析了法兰密封发生泄漏的原因，针对这些原因将其纳入设计关键点，从源头上将泄漏风险点一一消除。

1.4.1 法兰密封端面的精度要求

设计时根据实际需求合理定义法兰密封端面的粗糙度、平面度、垂直度的精度。密封端面粗糙精度越高，工作介质泄漏的间隙就越小，密封可靠性越好，当然并不是粗糙度越高越好，要考虑到现时工艺的可制造性、加工成本和实际需求。密封端面的平面度、垂直度影响到密封垫片所受压紧力的均衡性，一般平面度和垂直度精度越高，密封垫片所受压紧力越均衡，密封性越好。水冷管道系统的流体压力一般在1.5 MPa以下，属于低压型，法兰以突面法兰为主，其密封端面精度要求如图2所示。

图2 法兰密封端面的精度要求

1.4.2 密封垫片的选型

法兰密封设计的关键除了法兰结构设计满足工况压力等级需求，还要密封垫片的选型，密封垫片选型需要综合考虑工作环境、工作介质特性和垫片的材料性能，选型原则如下：

1)气密性：密封垫片在满足工作温度和工作压力下具有良好的密封性；

2)抗蠕变性：密封垫片的抗蠕变性能防止在工作温度和工作压力作用下紧固螺栓扭矩损失，防止垫片的表面应力减小；

3)耐腐蚀性：密封垫片对工作介质必须具有耐腐蚀性；

4)回弹性：管道系统在运行过程温度和压力会有微小变化，从而造成密封间隙有微小变化，密封垫片的回弹性应能弥补该间隙的变化；

5)无黏性：密封垫片在使用过程和使用后不易和法兰产生黏接；

6)无腐蚀性：密封垫片不能对法兰材质有腐蚀作用；

7)耐高低温性能：选用的密封垫片应满足管道系统最高环境温度和最低环境温度要求。

可以根据工作介质的类型、温度变化范围、气候等条件对照各种密封材料的性能，选用与之匹配的密封垫片。常见几种密封材料的性能对照表如表1所示。

表1 常见密封材料性能对照表

1.4.3 法兰连接螺栓的选型

不同规格法兰和压力等级配套的螺栓规格和螺栓数量也不同，表2是压力为16 bar时标准法兰配套的螺栓选型表。

表2 标准法兰紧固螺栓选型表(压力Pg=16 bar)

2 螺纹连接密封

在水冷管路系统，螺纹连接是另一种非常普遍的连接方式，也是最容易发生泄漏的连接方式，所以螺纹连接的密封问题被列为重点关注的问题。

2.1 螺纹连接简介

水冷系统里面，连接螺纹的种类主要有两种，普通螺纹和管螺纹。

普通螺纹的牙型符号为“M”，普通螺纹分为粗牙普通螺纹和细牙普通螺纹。同一公称直径的粗牙普通螺纹只有一种螺距，因此其螺距不必标注；同一公称直径的细牙普通螺纹，则有一种或多种螺距。因此，细牙普通螺纹必须标出螺距。

管螺纹分为非螺纹密封的管螺纹和用螺纹密封的管螺纹两种，均为英寸制。标注管螺纹时，应标注螺纹的牙型符号和尺寸代号，非螺纹密封的外管螺纹还应标注公差等级。螺纹左旋时，应在尺寸代号后加注“LH”，并用“-”隔开。管螺纹牙型符号分别是：

G：非螺纹密封的内、外管螺纹；

Rp：用螺纹密封的圆柱内管螺纹；

Rc：用螺纹密封的圆锥内管螺纹；

R：用螺纹密封的圆锥外管螺纹。

2.2 用螺纹密封的管螺纹连接密封

用螺纹密封管螺纹连接是一种用螺纹密封的连接方式。密封主要赖于内外螺纹在牙顶、牙底和牙侧的完全密合，任何部位的间隙都会造成泄漏，因此必须在旋紧的过程中使内外螺纹本身材料产生一定的变形，以填补这些间隙，使用时可在螺纹副内加入密封填料如聚四氟乙烯、生料带等，以提高其密封性。

2.2.1 配合方式

管螺纹连接密封的配合方式有两种，一种是圆柱内螺纹-圆锥外螺纹，另一种是圆锥内螺纹-圆锥外螺纹，两种配合方式如图3。

图3 圆锥管螺纹密封配合方式

2.2.2 两种配合方式的配合特点及应用场合

圆柱内螺纹-圆锥外螺纹配合：易于实现密封，因为扭紧时扭紧力矩集中于内外螺纹的一环上，使之处于过盈态 ，并产生挤压变形，也有易于破坏的缺点，常用于低压工作载荷的场合。

圆锥内螺纹-圆锥外螺纹配合：螺纹副同时在整个锥面上接触，扭紧时受力不匀，加之受到多个要素一致性不好的影响，很难实现完整的密合，但是一旦实现密封后，不易被破坏，常用于高压变化载荷的场合。

2.3 非螺纹密封管螺纹连接密封

非螺纹密封管螺纹连接密封的密封结构有两种。一种是在螺纹副里添加密封填料如生料带等，填补螺纹副之间的空隙实现密封，这种方式适用于低压场合下；另一种是在两个螺纹连接件之间加O型圈，两个螺纹连接件旋紧挤压O型圈进行密封，这种方式适用于较高压力的场合。下面着重探讨第二种方式下密封结构设计。

2.3.1 非螺纹密封管螺纹连接密封结构设计

由于非螺纹密封螺纹连接是依靠两螺纹连接件之间的O型圈实现密封，所以在其中的一个连接件需开一个密封沟槽安装O型圈。一般地，密封沟槽开在两连接件的接触端面上，密封沟槽开槽深度保证O型圈安装后突出接触端面一定高度，该高度由O型圈安装标准确定，图4为一种管螺纹接头及其密封结构设计图。

图4 螺纹接头密封结构

这种接头配规格为Φ14.8(内径)×Φ2.4(线径)的O型圈，由图上尺寸可知密封沟槽深度为1.8 mm，安装O型圈后保证适于密封的压缩率。为保证良好的密封性，接触端面必须保证光洁无刮痕，粗糙等级达到Ra3.2。

如图5是一种典型的内外螺纹接头密封结构设计，其密封原理是通过旋紧螺纹副，使外螺纹连接件的接触端面压紧O型圈，当O型圈被挤压到一定程度完全填补接触端面内外之间的空隙而实现密封。

将骨痛症状、分化程度、骨转移数目、骨转移部位、合并骨外转移、初诊临床分期、初诊时ECOG(东部肿瘤协作组)评分、化疗等预后因素纳入Cox回归模型分析得到，合并骨外转移、初诊时ECOG(东部肿瘤协作组)评分和化疗是影响胃癌骨转移患者的独立因素，合并骨外转移是最大的危险因素，见表2。

图5 内外螺纹连接的密封结构示意图

图6 管芯锥头的密封结构图

图6为水冷系统里面另一种典型的螺纹连接密封方式，其密封原理是通过锥管螺母和对丝接头的螺纹连接，旋紧锥管螺母，使管芯锥头和对丝接头两平行密封面之间的间隙越来越小，挤压O型圈到一定程度填满间隙而实现密封。这种密封结构可以承受的介质压力比较大，可以在较大的压力环境下使用。

2.3.2 密封圈的选型

螺纹连接的密封圈一般使用O型圈，相对于平垫圈而言，O型圈的性能要求要高一点，除了要具备上文所述密封垫片的八个重要特性之外，还要考虑其压缩率和拉伸量。

2.3.2.1 O型圈的压缩率

压缩率W通常用下式表示：

W=(d0-h)/d0×100%

d0—O型圈在自由状态下的截面直径(mm)；

h—O型圈槽底与被密封表面的距离(沟槽深度)，即O型圈压缩后的截面高度(mm)。

在选取O形圈的压缩率时,应从如下三个方面考虑：

①要有足够的密封接触面积；

②摩擦力尽量小；

③尽量避免永久变形。

O型圈密封结构设计时要保证足够大的压缩率，压缩率过小会造成密封面接触压力过小而导致密封失效产生泄漏。压缩率较大可获得较大的接触压力，因此密封性更好，同时压缩率不能无限制增大，压缩率过大会增大滑动摩擦力和永久变形。因此，在选择O形圈的压缩率时，要权衡各方面的因素。水冷管路系统属于平面静密封，从工程应用情况一般取W=15%～30%。

2.3.2.2 O型圈的拉伸量

一般O型圈结构设计时密封沟槽尺寸设计会根据O型圈外形尺寸进行设计，O型圈安装到密封沟槽后一般都有一定的拉伸量。与压缩率一样，O型圈拉伸量不能过大，拉伸量过大会导致O型圈因截面直径d0发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。拉伸量a可用下式表示：

α=(d+d0)/(d1+d0)

式中

d—轴径(mm)；

d1—O形圈内径(mm)。

从O型圈密封结构设计考虑和工程安装经验一般拉伸量的取值范围为1%～5%。

3 结语

密封性能对于水冷系统来说非常重要，由于密封性不良而产生泄漏对企业造成的危害很大，不仅会增加产品的维护成本，降低了企业的利润，而且还会影响企业产品质量的提升，因此，研究可靠的密封技术很有必要，有助于提高水冷系统管路设计合理性，从而提高产品的可靠性。