黃華坤，王婷，黃啟釗，劉曦程

（株洲變流技術(shù)國(guó)家工程研究中心有限公司，株洲 412001）

引言

隨著牽引變流器向小型化和輕量化發(fā)展，功率密度提高，功率等級(jí)不斷提升[1，2]，使得變流裝置的功率損耗急劇增大，風(fēng)冷散熱已經(jīng)無(wú)法滿足散熱需求。水的熱容量大，水冷散熱方式無(wú)疑是解決大功率變流裝置散熱的最佳選擇。目前，船舶、風(fēng)電、SVG等行業(yè)變流產(chǎn)品都運(yùn)用了水冷散熱系統(tǒng)，且取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

水冷散熱系統(tǒng)在工程化應(yīng)用中普遍存在泄漏問題[3]，泄漏問題的本質(zhì)是密封失效。水冷系統(tǒng)泄漏會(huì)導(dǎo)致設(shè)備熱量無(wú)法及時(shí)散出，引起熱敏感器件損壞，以及其他無(wú)法預(yù)測(cè)的后果。因此，水冷系統(tǒng)的密封性能對(duì)整個(gè)設(shè)備、以及整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著決定性作用[4]。水冷密封系統(tǒng)由管路、管接頭、水冷器件組成，其中管接頭的密封尤為重要。統(tǒng)計(jì)資料顯示，水冷系統(tǒng)失效多發(fā)生于管路接頭連接處[5]，選擇密封可靠的管路接頭是保證水冷系統(tǒng)正常工作的前提。在實(shí)際工程化應(yīng)用中，水冷系統(tǒng)應(yīng)用于各種惡劣工況（如溫度交變、振動(dòng)沖擊等），會(huì)進(jìn)一步加劇管接頭的失效。因此，研究管路接頭的連接可靠性對(duì)提高整個(gè)水冷系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

本文選取變流裝置中常用的水冷接頭連接形式，基于溫度交變、振動(dòng)沖擊等惡劣工況，設(shè)計(jì)接頭連接可靠性試驗(yàn)工裝，對(duì)各種工況下的各個(gè)接頭進(jìn)行密封性能測(cè)試，以泄漏率作為接頭密封可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而為后續(xù)水冷系統(tǒng)的密封設(shè)計(jì)提供支撐。

1 管路接頭連接形式及原理分析

管路接頭連接形式的選擇需要考慮環(huán)境溫度，工作壓力，應(yīng)用工況等（如振動(dòng)沖擊），在滿足性能和功能的前提下，選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，經(jīng)濟(jì)性好，且行業(yè)應(yīng)用狀況良好的管路接頭。

表1為水冷系統(tǒng)中應(yīng)用到的幾種接頭連接形式。

表1 管路接頭及原理概述（續(xù)）

表1 管路接頭及原理概述

卡箍和抱箍接頭的密封形式相似，依靠卡箍或抱箍鎖緊，使軟管產(chǎn)生擠壓變形來完成密封；溝槽式管接頭和管道連接器的內(nèi)部均通過密封圈形成密封，螺栓從外部鎖緊形成二次密封；錐形管接頭、快插接頭、快擰接頭都是依靠密封圈形成密封。

2 管路接頭連接可靠性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本文主要研究上述幾種管路接頭在常溫、溫度交變、振動(dòng)沖擊工況下的連接可靠性。依據(jù)接頭使用場(chǎng)景，分為支管路接頭（1～6號(hào)）和主管路接頭（7～10號(hào)）。管路接頭采用并聯(lián)連接方式，且每種接頭前后兩端都安裝球閥，保證各接頭處于兩球閥所封閉的管段中，各接頭之間彼此互不干擾。在每種接頭所在支路上都安裝一個(gè)壓力傳感器，用來監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中每個(gè)支路中的壓力變化，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 支管路和主管路接頭系統(tǒng)原理

各測(cè)試用管路接頭與相應(yīng)的金屬管和軟管連接后并聯(lián)分布，整個(gè)管路安裝在鋼制骨架上，試驗(yàn)工裝如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)工裝

3 管路接頭連接可靠性綜合性能試驗(yàn)

結(jié)合管路接頭的實(shí)際應(yīng)用情況，開展各接頭在常溫工況下的保壓試驗(yàn)以及泄漏率檢測(cè)，溫度交變工況下的泄漏率檢測(cè)，振動(dòng)沖擊工況下的泄漏率檢測(cè)，從而定量分析并評(píng)價(jià)管路接頭密封連接的可靠性。

3.1 常溫保壓及泄漏率檢測(cè)（如圖3所示）

圖3 常溫保壓及泄漏率檢測(cè)

3.1.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)工裝管路注滿液體，壓力調(diào)至6 bar，保壓4 h，檢查各管路接頭是否滲漏；排凈管路中液體，向管路中注入氦氣，壓力調(diào)至10 bar，保壓0.5 h，用氦質(zhì)譜儀檢查每個(gè)管路接頭的泄漏率。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果

保壓過程結(jié)束后，檢查各接頭均無(wú)泄漏，說明所有接頭在常溫下均能滿足液體密封的要求。使用氦氣檢漏儀對(duì)各接頭進(jìn)行泄漏率檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，泄漏率＞1*10-6Pa.m3/s的接頭有：卡箍A型、卡箍B型、快擰接頭A型、快擰接頭B型、抱箍接頭；其原因在于這五種接頭均是通過外力，使橡膠軟管發(fā)生形變，在軟管內(nèi)表面和金屬管外表面形成密封，密封性能相對(duì)較差，且抱箍接頭連接軟管外徑最大，密封面間的間隙也最大，故泄漏率最高。

圖4 常溫試驗(yàn)后泄漏率

泄漏率介于1*10-6Pa.m3/s和1*10-8Pa.m3/s之間的接頭有：錐形管接頭、快插接頭、溝槽式管接頭、管道連接器A型、管道連接器B型。此五種接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密封圈（密封唇），其密封是通過密封圈的彈性變形實(shí)現(xiàn)密封，泄漏率相對(duì)較小，密封可靠性相對(duì)較高。管道連接器A型與B型密封結(jié)構(gòu)基本相同，前者泄漏率小于后者，原因在于同規(guī)格兩種接頭，前者使用2個(gè)螺栓緊固安裝，密封面受力更均為，形成的密封面更寬。

3.2 溫度交變工況下的壓力及泄漏率測(cè)試

3.2.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)工裝管路注滿冷卻液，壓力調(diào)至6 bar，各支路中閥門調(diào)整為關(guān)閉狀態(tài)。溫度交變工況試驗(yàn)條件見表2。

表2 溫度交變工況試驗(yàn)條件

壓力傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中各支路壓力變化。試驗(yàn)后檢查各接頭處有無(wú)泄漏，排凈管路中液體，充入氦氣，測(cè)試各接頭經(jīng)過溫度交變工況后的泄漏率，試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 溫度交變?cè)囼?yàn)

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)束后，檢查各接頭均無(wú)液體泄漏，說明所有接頭在溫度交變工況下均能滿足液體密封的要求。試驗(yàn)過程中，各支路管內(nèi)流體壓力隨溫度的降低而減小，隨溫度的升高而增加。第1、2次循環(huán)中當(dāng)溫度恢復(fù)到25 ℃時(shí)，管內(nèi)流體壓力并沒立即恢復(fù)到6 bar,其原因在于液體的溫升速度要小于試驗(yàn)箱的溫升速度，當(dāng)兩次循環(huán)完成后，重新恢復(fù)到25 ℃時(shí)，各支路流體壓力也恢復(fù)到試驗(yàn)前壓力6 bar。

排凈管路中液體，注入氦氣，壓力調(diào)至10 bar，保壓0.5 h，用氦質(zhì)譜儀檢查每個(gè)管路接頭的泄漏率，結(jié)果如圖6所示。

圖6 常溫以及溫度交變?cè)囼?yàn)后泄漏率

通過試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，大部分管路接頭經(jīng)過溫度交變?cè)囼?yàn)后的泄漏率相對(duì)試驗(yàn)前均有所增加，說明溫度交變對(duì)接頭的密封性產(chǎn)生了影響?？ü緼型以及B型、快擰接頭A型以及B型、抱箍接頭的泄漏率有較大的增長(zhǎng)，說明這幾個(gè)接頭受溫度交變的影響較大。錐形管接頭、快速插頭、溝槽式管接頭、管道連接器A型以及B型的泄漏率相較于試驗(yàn)前變化不大，說明這幾個(gè)接頭受溫度交變的影響較小，密封性能較好。

3.3 振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)工裝管路注滿冷卻液，壓力調(diào)至6 bar，各支路中閥門調(diào)整為關(guān)閉狀態(tài)。試驗(yàn)方法如下：

1）將水冷接頭工裝安裝在振動(dòng)臺(tái)上，如圖7；

圖7 振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)

2）隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)：按照表3試驗(yàn)參數(shù)和圖8振動(dòng)路譜開展振動(dòng)試驗(yàn)；

圖8 振動(dòng)路譜

表3 振動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)

3）沖擊試驗(yàn)：半正弦波，10 g，脈寬最小0.01 s，6向（直角系），各15次，恢復(fù)峰值加速度應(yīng)低于峰值的25 %。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

完成橫向、縱向、垂向三個(gè)方向振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)接頭出現(xiàn)液體泄漏，說明所有接頭在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)后均能滿足液體密封的要求。排凈管路中液體，注入氦氣，壓力調(diào)至10 bar，保壓0.5 h，用氦質(zhì)譜儀檢查每個(gè)管路接頭的泄漏率，結(jié)果如圖9所示。

圖9 常溫、溫度交變、以及振動(dòng)沖擊試驗(yàn)后泄漏率

抱箍接頭在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)后，泄漏率有明顯的增大，約為常溫試驗(yàn)下的兩倍，試驗(yàn)中抱箍接頭壓力有所降低，由試驗(yàn)前的6 bar降低到4.3 bar，說明抱箍接頭的密封性能受振動(dòng)和沖擊的影響大。其他接頭無(wú)論是泄漏率還是所在管路壓力均無(wú)明顯變化，受振動(dòng)和沖擊的影響較小。

4 結(jié)論

管路接頭是水冷系統(tǒng)管路的重要部件之一，高可靠性的管路接頭是水冷系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的重要保障。本文通過試驗(yàn)系統(tǒng)地研究了幾種常用管路接頭的連接密封可靠性，可得到如下結(jié)論：

1）所有的接頭在常溫、溫度交變、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)后均未出現(xiàn)液體泄漏，說明上述接頭均能滿足液體密封要求；

2）溫度交變會(huì)對(duì)所有接頭的密封性能產(chǎn)生影響，如增大接頭處的泄漏率，但不會(huì)引起液體的泄漏，卡箍（A型、B型）、快擰接頭（A型、B型）、抱箍接頭受溫度交變影響相對(duì)較大；

3）錐形管接頭、快插接頭、溝槽管接頭、管道連接器（A型、B型）的密封性能幾乎不受溫度交變和沖擊的影響；

4）帶密封圈結(jié)構(gòu)形式（錐形管接頭、快插接頭、溝槽管接頭、管道連接器）的密封性能優(yōu)于軟管變形結(jié)構(gòu)形式（卡箍、快擰接頭、抱箍接頭）的密封性能；

5）接頭連接密封性能對(duì)溫度交變的敏感性高于振動(dòng)沖擊。