水冷管路接頭連接的可靠性研究

黃華坤，王婷，黃啟釗，劉曦程

（株洲變流技術國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展，功率密度提高，功率等級不斷提升[1，2]，使得變流裝置的功率損耗急劇增大，風冷散熱已經無法滿足散熱需求。水的熱容量大，水冷散熱方式無疑是解決大功率變流裝置散熱的最佳選擇。目前，船舶、風電、SVG等行業變流產品都運用了水冷散熱系統，且取得了不錯的應用效果。

水冷散熱系統在工程化應用中普遍存在泄漏問題[3]，泄漏問題的本質是密封失效。水冷系統泄漏會導致設備熱量無法及時散出，引起熱敏感器件損壞，以及其他無法預測的后果。因此，水冷系統的密封性能對整個設備、以及整個系統的穩定運行起著決定性作用[4]。水冷密封系統由管路、管接頭、水冷器件組成，其中管接頭的密封尤為重要。統計資料顯示，水冷系統失效多發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正常工作的前提。在實際工程化應用中，水冷系統應用于各種惡劣工況（如溫度交變、振動沖擊等），會進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提高整個水冷系統的安全穩定運行具有重要的意義。

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、振動沖擊等惡劣工況，設計接頭連接可靠性試驗工裝，對各種工況下的各個接頭進行密封性能測試，以泄漏率作為接頭密封可靠性的評價指標，從而為后續水冷系統的密封設計提供支撐。

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境溫度，工作壓力，應用工況等（如振動沖擊），在滿足性能和功能的前提下，選擇結構簡單，安裝方便，經濟性好，且行業應用狀況良好的管路接頭。

表1為水冷系統中應用到的幾種接頭連接形式。

表1 管路接頭及原理概述（續）

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，使軟管產生擠壓變形來完成密封；溝槽式管接頭和管道連接器的內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方案設計

本文主要研究上述幾種管路接頭在常溫、溫度交變、振動沖擊工況下的連接可靠性。依據接頭使用場景，分為支管路接頭（1～6號）和主管路接頭（7～10號）。管路接頭采用并聯連接方式，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壓力傳感器，用來監測試驗過程中每個支路中的壓力變化，系統原理如圖1所示。

圖1 支管路和主管路接頭系統原理

各測試用管路接頭與相應的金屬管和軟管連接后并聯分布，整個管路安裝在鋼制骨架上，試驗工裝如圖2所示。

圖2 試驗工裝

3 管路接頭連接可靠性綜合性能試驗

結合管路接頭的實際應用情況，開展各接頭在常溫工況下的保壓試驗以及泄漏率檢測，溫度交變工況下的泄漏率檢測，振動沖擊工況下的泄漏率檢測，從而定量分析并評價管路接頭密封連接的可靠性。

3.1 常溫保壓及泄漏率檢測（如圖3所示）

圖3 常溫保壓及泄漏率檢測

3.1.1 試驗過程

試驗工裝管路注滿液體，壓力調至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，壓力調至10 bar，保壓0.5 h，用氦質譜儀檢查每個管路接頭的泄漏率。

3.1.2 試驗結果

保壓過程結束后，檢查各接頭均無泄漏，說明所有接頭在常溫下均能滿足液體密封的要求。使用氦氣檢漏儀對各接頭進行泄漏率檢測，結果如圖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，使橡膠軟管發生形變，在軟管內表面和金屬管外表面形成密封，密封性能相對較差，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。此五種接頭內部結構有密封圈（密封唇），其密封是通過密封圈的彈性變形實現密封，泄漏率相對較小，密封可靠性相對較高。管道連接器A型與B型密封結構基本相同，前者泄漏率小于后者，原因在于同規格兩種接頭，前者使用2個螺栓緊固安裝，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試

3.2.1 試驗過程

試驗工裝管路注滿冷卻液，壓力調至6 bar，各支路中閥門調整為關閉狀態。溫度交變工況試驗條件見表2。

表2 溫度交變工況試驗條件

壓力傳感器監測試驗過程中各支路壓力變化。試驗后檢查各接頭處有無泄漏，排凈管路中液體，充入氦氣，測試各接頭經過溫度交變工況后的泄漏率，試驗如圖5所示。

圖5 溫度交變試驗

3.2.2 試驗結果及分析

試驗結束后，檢查各接頭均無液體泄漏，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。試驗過程中，各支路管內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次循環中當溫度恢復到25 ℃時，管內流體壓力并沒立即恢復到6 bar,其原因在于液體的溫升速度要小于試驗箱的溫升速度，當兩次循環完成后，重新恢復到25 ℃時，各支路流體壓力也恢復到試驗前壓力6 bar。

排凈管路中液體，注入氦氣，壓力調至10 bar，保壓0.5 h，用氦質譜儀檢查每個管路接頭的泄漏率，結果如圖6所示。

圖6 常溫以及溫度交變試驗后泄漏率

通過試驗可以發現，大部分管路接頭經過溫度交變試驗后的泄漏率相對試驗前均有所增加，說明溫度交變對接頭的密封性產生了影響。卡箍A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，說明這幾個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前變化不大，說明這幾個接頭受溫度交變的影響較小，密封性能較好。

3.3 振動與沖擊試驗

3.3.1 試驗過程

試驗工裝管路注滿冷卻液，壓力調至6 bar，各支路中閥門調整為關閉狀態。試驗方法如下：

1）將水冷接頭工裝安裝在振動臺上，如圖7；

圖7 振動與沖擊試驗

2）隨機振動試驗：按照表3試驗參數和圖8振動路譜開展振動試驗；

圖8 振動路譜

表3 振動試驗參數

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

3.3.2 試驗結果及分析

完成橫向、縱向、垂向三個方向振動和沖擊試驗后，未發現接頭出現液體泄漏，說明所有接頭在振動和沖擊試驗后均能滿足液體密封的要求。排凈管路中液體，注入氦氣，壓力調至10 bar，保壓0.5 h，用氦質譜儀檢查每個管路接頭的泄漏率，結果如圖9所示。

圖9 常溫、溫度交變、以及振動沖擊試驗后泄漏率

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

4 結論

管路接頭是水冷系統管路的重要部件之一，高可靠性的管路接頭是水冷系統穩定可靠運行的重要保障。本文通過試驗系統地研究了幾種常用管路接頭的連接密封可靠性，可得到如下結論：

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

2）溫度交變會對所有接頭的密封性能產生影響，如增大接頭處的泄漏率，但不會引起液體的泄漏，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）帶密封圈結構形式（錐形管接頭、快插接頭、溝槽管接頭、管道連接器）的密封性能優于軟管變形結構形式（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溫度交變的敏感性高于振動沖擊。