楊偉龍，郭紹強(qiáng)，洪春鳳，符夏穎，羅毅強(qiáng)，蒙元楷

(廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司，廣東 廣州 510663)

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

通過(guò)研究產(chǎn)生泄漏的原因，再基于這些原因提出解決泄漏的方案，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證解決方案的可行性，這是密封技術(shù)產(chǎn)生的基本方法。本文通過(guò)深入研究水冷系統(tǒng)的密封技術(shù)，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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)

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(fā)生彈性或塑性變形，以填滿密封面上的微觀凹凸不平來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。也就是利用密封面上的比壓使介質(zhì)通過(guò)密封面的阻力大于密封面兩側(cè)的介質(zhì)壓力差來(lái)實(shí)現(xiàn)密封。

1.3 法蘭密封泄漏原因

1.3.1 密封墊片的性能和質(zhì)量

密封墊片的性能和質(zhì)量是影響密封效果的最重要因素之一，現(xiàn)實(shí)中的泄漏經(jīng)常是與選用性能不好或質(zhì)量差的材料做密封墊片有關(guān)。因此密封墊片選材很關(guān)鍵，密封墊片選材的基本要求如下：

1)在工作介質(zhì)中有良好的穩(wěn)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(zhì)中壓縮恢復(fù)性大，永久變形小；

3)良好的機(jī)械強(qiáng)度和硬度，不易受工作介質(zhì)影響；

4)耐熱性、耐寒性及吸振性能好；

5)耐磨性好，縻擦系數(shù)?。?/p>

6)材料密實(shí)；

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(dá)不到，或密封端面加工后有刮痕、沙眼，安裝時(shí)沒(méi)把密封端面的雜質(zhì)清理干凈，這些都可能導(dǎo)致泄漏的發(fā)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(jí)不匹配，也可能導(dǎo)致泄漏，比如選用螺栓等級(jí)偏低，導(dǎo)致密封墊片壓緊力不夠，而沒(méi)法完全消除密封端面的微小間隙就會(huì)產(chǎn)生泄漏。

1.4 法蘭密封設(shè)計(jì)要點(diǎn)

上文綜合分析了法蘭密封發(fā)生泄漏的原因，針對(duì)這些原因?qū)⑵浼{入設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，從源頭上將泄漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)一一消除。

1.4.1 法蘭密封端面的精度要求

設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)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(zhì)泄漏的間隙就越小，密封可靠性越好，當(dāng)然并不是粗糙度越高越好，要考慮到現(xiàn)時(shí)工藝的可制造性、加工成本和實(shí)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(tǒng)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵除了法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足工況壓力等級(jí)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(huán)境、工作介質(zhì)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?fù)p失，防止墊片的表面應(yīng)力減??；

3)耐腐蝕性：密封墊片對(duì)工作介質(zhì)必須具有耐腐蝕性；

4)回彈性：管道系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程溫度和壓力會(huì)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(yīng)能彌補(bǔ)該間隙的變化；

5)無(wú)黏性：密封墊片在使用過(guò)程和使用后不易和法蘭產(chǎn)生黏接；

6)無(wú)腐蝕性：密封墊片不能對(duì)法蘭材質(zhì)有腐蝕作用；

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

可以根據(jù)工作介質(zhì)的類型、溫度變化范圍、氣候等條件對(duì)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(duì)照表如表1所示。

表1 常見密封材料性能對(duì)照表

1.4.3 法蘭連接螺栓的選型

不同規(guī)格法蘭和壓力等級(jí)配套的螺栓規(guī)格和螺栓數(shù)量也不同，表2是壓力為16 bar時(shí)標(biāo)準(zhǔn)法蘭配套的螺栓選型表。

表2 標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)，螺紋連接是另一種非常普遍的連接方式，也是最容易發(fā)生泄漏的連接方式，所以螺紋連接的密封問(wèn)題被列為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

2.1 螺紋連接簡(jiǎn)介

水冷系統(tǒng)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(hào)為“M”，普通螺紋分為粗牙普通螺紋和細(xì)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(biāo)注；同一公稱直徑的細(xì)牙普通螺紋，則有一種或多種螺距。因此，細(xì)牙普通螺紋必須標(biāo)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(biāo)注管螺紋時(shí)，應(yīng)標(biāo)注螺紋的牙型符號(hào)和尺寸代號(hào)，非螺紋密封的外管螺紋還應(yīng)標(biāo)注公差等級(jí)。螺紋左旋時(shí)，應(yīng)在尺寸代號(hào)后加注“LH”，并用“-”隔開。管螺紋牙型符號(hào)分別是：

G：非螺紋密封的內(nèi)、外管螺紋；

Rp：用螺紋密封的圓柱內(nèi)管螺紋；

Rc：用螺紋密封的圓錐內(nèi)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(nèi)外螺紋在牙頂、牙底和牙側(cè)的完全密合，任何部位的間隙都會(huì)造成泄漏，因此必須在旋緊的過(guò)程中使內(nèi)外螺紋本身材料產(chǎn)生一定的變形，以填補(bǔ)這些間隙，使用時(shí)可在螺紋副內(nèi)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(nèi)螺紋-圓錐外螺紋，另一種是圓錐內(nèi)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(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合

圓柱內(nèi)螺紋-圓錐外螺紋配合：易于實(shí)現(xiàn)密封，因?yàn)榕ぞo時(shí)扭緊力矩集中于內(nèi)外螺紋的一環(huán)上，使之處于過(guò)盈態(tài) ，并產(chǎn)生擠壓變形，也有易于破壞的缺點(diǎn)，常用于低壓工作載荷的場(chǎng)合。

圓錐內(nèi)螺紋-圓錐外螺紋配合：螺紋副同時(shí)在整個(gè)錐面上接觸，扭緊時(shí)受力不勻，加之受到多個(gè)要素一致性不好的影響，很難實(shí)現(xiàn)完整的密合，但是一旦實(shí)現(xiàn)密封后，不易被破壞，常用于高壓變化載荷的場(chǎng)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(jié)構(gòu)有兩種。一種是在螺紋副里添加密封填料如生料帶等，填補(bǔ)螺紋副之間的空隙實(shí)現(xiàn)密封，這種方式適用于低壓場(chǎng)合下；另一種是在兩個(gè)螺紋連接件之間加O型圈，兩個(gè)螺紋連接件旋緊擠壓O型圈進(jìn)行密封，這種方式適用于較高壓力的場(chǎng)合。下面著重探討第二種方式下密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3.1 非螺紋密封管螺紋連接密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于非螺紋密封螺紋連接是依靠?jī)陕菁y連接件之間的O型圈實(shí)現(xiàn)密封，所以在其中的一個(gè)連接件需開一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)確定，圖4為一種管螺紋接頭及其密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖。

圖4 螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)

這種接頭配規(guī)格為Φ14.8(內(nèi)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(wú)刮痕，粗糙等級(jí)達(dá)到Ra3.2。

如圖5是一種典型的內(nèi)外螺紋接頭密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其密封原理是通過(guò)旋緊螺紋副，使外螺紋連接件的接觸端面壓緊O型圈，當(dāng)O型圈被擠壓到一定程度完全填補(bǔ)接觸端面內(nèi)外之間的空隙而實(shí)現(xiàn)密封。

將骨痛癥狀、分化程度、骨轉(zhuǎn)移數(shù)目、骨轉(zhuǎn)移部位、合并骨外轉(zhuǎn)移、初診臨床分期、初診時(shí)ECOG(東部腫瘤協(xié)作組)評(píng)分、化療等預(yù)后因素納入Cox回歸模型分析得到，合并骨外轉(zhuǎn)移、初診時(shí)ECOG(東部腫瘤協(xié)作組)評(píng)分和化療是影響胃癌骨轉(zhuǎn)移患者的獨(dú)立因素，合并骨外轉(zhuǎn)移是最大的危險(xiǎn)因素，見表2。

圖5 內(nèi)外螺紋連接的密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 管芯錐頭的密封結(jié)構(gòu)圖

圖6為水冷系統(tǒng)里面另一種典型的螺紋連接密封方式，其密封原理是通過(guò)錐管螺母和對(duì)絲接頭的螺紋連接，旋緊錐管螺母，使管芯錐頭和對(duì)絲接頭兩平行密封面之間的間隙越來(lái)越小，擠壓O型圈到一定程度填滿間隙而實(shí)現(xiàn)密封。這種密封結(jié)構(gòu)可以承受的介質(zhì)壓力比較大，可以在較大的壓力環(huán)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(duì)于平墊圈而言，O型圈的性能要求要高一點(diǎn)，除了要具備上文所述密封墊片的八個(gè)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(tài)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(shí),應(yīng)從如下三個(gè)方面考慮：

①要有足夠的密封接觸面積；

②摩擦力盡量?。?/p>

③盡量避免永久變形。

O型圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要保證足夠大的壓縮率，壓縮率過(guò)小會(huì)造成密封面接觸壓力過(guò)小而導(dǎo)致密封失效產(chǎn)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(shí)壓縮率不能無(wú)限制增大，壓縮率過(guò)大會(huì)增大滑動(dòng)摩擦力和永久變形。因此，在選擇O形圈的壓縮率時(shí)，要權(quán)衡各方面的因素。水冷管路系統(tǒng)屬于平面靜密封，從工程應(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)密封溝槽尺寸設(shè)計(jì)會(huì)根據(jù)O型圈外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(guò)大，拉伸量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致O型圈因截面直徑d0發(fā)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(nèi)徑(mm)。

從O型圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮和工程安裝經(jīng)驗(yàn)一般拉伸量的取值范圍為1%～5%。

3 結(jié)語(yǔ)

密封性能對(duì)于水冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)非常重要，由于密封性不良而產(chǎn)生泄漏對(duì)企業(yè)造成的危害很大，不僅會(huì)增加產(chǎn)品的維護(hù)成本，降低了企業(yè)的利潤(rùn)，而且還會(huì)影響企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提升，因此，研究可靠的密封技術(shù)很有必要，有助于提高水冷系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)合理性，從而提高產(chǎn)品的可靠性。