水冷管路接头连接的可靠性研究

2021-09-11黄华坤王婷黄启钊刘曦程

环境技术 2021年4期

黄华坤，王婷，黄启钊，刘曦程

（株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，株洲 412001）

引言

随着牵引变流器向小型化和轻量化发展，功率密度提高，功率等级不断提升[1，2]，使得变流装置的功率损耗急剧增大，风冷散热已经无法满足散热需求。水的热容量大，水冷散热方式无疑是解决大功率变流装置散热的最佳选择。目前，船舶、风电、SVG等行业变流产品都运用了水冷散热系统，且取得了不错的应用效果。

水冷散热系统在工程化应用中普遍存在泄漏问题[3]，泄漏问题的本质是密封失效。水冷系统泄漏会导致设备热量无法及时散出，引起热敏感器件损坏，以及其他无法预测的后果。因此，水冷系统的密封性能对整个设备、以及整个系统的稳定运行起着决定性作用[4]。水冷密封系统由管路、管接头、水冷器件组成，其中管接头的密封尤为重要。统计资料显示，水冷系统失效多发生于管路接头连接处[5]，选择密封可靠的管路接头是保证水冷系统正常工作的前提。在实际工程化应用中，水冷系统应用于各种恶劣工况（如温度交变、振动冲击等），会进一步加剧管接头的失效。因此，研究管路接头的连接可靠性对提高整个水冷系统的安全稳定运行具有重要的意义。

本文选取变流装置中常用的水冷接头连接形式，基于温度交变、振动冲击等恶劣工况，设计接头连接可靠性试验工装，对各种工况下的各个接头进行密封性能测试，以泄漏率作为接头密封可靠性的评价指标，从而为后续水冷系统的密封设计提供支撑。

1 管路接头连接形式及原理分析

管路接头连接形式的选择需要考虑环境温度，工作压力，应用工况等（如振动冲击），在满足性能和功能的前提下，选择结构简单，安装方便，经济性好，且行业应用状况良好的管路接头。

表1为水冷系统中应用到的几种接头连接形式。

表1 管路接头及原理概述（续）

表1 管路接头及原理概述

卡箍和抱箍接头的密封形式相似，依靠卡箍或抱箍锁紧，使软管产生挤压变形来完成密封；沟槽式管接头和管道连接器的内部均通过密封圈形成密封，螺栓从外部锁紧形成二次密封；锥形管接头、快插接头、快拧接头都是依靠密封圈形成密封。

2 管路接头连接可靠性试验方案设计

本文主要研究上述几种管路接头在常温、温度交变、振动冲击工况下的连接可靠性。依据接头使用场景，分为支管路接头（1～6号）和主管路接头（7～10号）。管路接头采用并联连接方式，且每种接头前后两端都安装球阀，保证各接头处于两球阀所封闭的管段中，各接头之间彼此互不干扰。在每种接头所在支路上都安装一个压力传感器，用来监测试验过程中每个支路中的压力变化，系统原理如图1所示。

图1 支管路和主管路接头系统原理

各测试用管路接头与相应的金属管和软管连接后并联分布，整个管路安装在钢制骨架上，试验工装如图2所示。

图2 试验工装

3 管路接头连接可靠性综合性能试验

结合管路接头的实际应用情况，开展各接头在常温工况下的保压试验以及泄漏率检测，温度交变工况下的泄漏率检测，振动冲击工况下的泄漏率检测，从而定量分析并评价管路接头密封连接的可靠性。

3.1 常温保压及泄漏率检测（如图3所示）

图3 常温保压及泄漏率检测

3.1.1 试验过程

试验工装管路注满液体，压力调至6 bar，保压4 h，检查各管路接头是否渗漏；排净管路中液体，向管路中注入氦气，压力调至10 bar，保压0.5 h，用氦质谱仪检查每个管路接头的泄漏率。

3.1.2 试验结果

保压过程结束后，检查各接头均无泄漏，说明所有接头在常温下均能满足液体密封的要求。使用氦气检漏仪对各接头进行泄漏率检测，结果如图4所示。

从图4可知，泄漏率＞1*10-6Pa.m3/s的接头有：卡箍A型、卡箍B型、快拧接头A型、快拧接头B型、抱箍接头；其原因在于这五种接头均是通过外力，使橡胶软管发生形变，在软管内表面和金属管外表面形成密封，密封性能相对较差，且抱箍接头连接软管外径最大，密封面间的间隙也最大，故泄漏率最高。

图4 常温试验后泄漏率

泄漏率介于1*10-6Pa.m3/s和1*10-8Pa.m3/s之间的接头有：锥形管接头、快插接头、沟槽式管接头、管道连接器A型、管道连接器B型。此五种接头内部结构有密封圈（密封唇），其密封是通过密封圈的弹性变形实现密封，泄漏率相对较小，密封可靠性相对较高。管道连接器A型与B型密封结构基本相同，前者泄漏率小于后者，原因在于同规格两种接头，前者使用2个螺栓紧固安装，密封面受力更均为，形成的密封面更宽。

3.2 温度交变工况下的压力及泄漏率测试

3.2.1 试验过程

试验工装管路注满冷却液，压力调至6 bar，各支路中阀门调整为关闭状态。温度交变工况试验条件见表2。

表2 温度交变工况试验条件

压力传感器监测试验过程中各支路压力变化。试验后检查各接头处有无泄漏，排净管路中液体，充入氦气，测试各接头经过温度交变工况后的泄漏率，试验如图5所示。

图5 温度交变试验

3.2.2 试验结果及分析

试验结束后，检查各接头均无液体泄漏，说明所有接头在温度交变工况下均能满足液体密封的要求。试验过程中，各支路管内流体压力随温度的降低而减小，随温度的升高而增加。第1、2次循环中当温度恢复到25 ℃时，管内流体压力并没立即恢复到6 bar,其原因在于液体的温升速度要小于试验箱的温升速度，当两次循环完成后，重新恢复到25 ℃时，各支路流体压力也恢复到试验前压力6 bar。

排净管路中液体，注入氦气，压力调至10 bar，保压0.5 h，用氦质谱仪检查每个管路接头的泄漏率，结果如图6所示。

图6 常温以及温度交变试验后泄漏率

通过试验可以发现，大部分管路接头经过温度交变试验后的泄漏率相对试验前均有所增加，说明温度交变对接头的密封性产生了影响。卡箍A型以及B型、快拧接头A型以及B型、抱箍接头的泄漏率有较大的增长，说明这几个接头受温度交变的影响较大。锥形管接头、快速插头、沟槽式管接头、管道连接器A型以及B型的泄漏率相较于试验前变化不大，说明这几个接头受温度交变的影响较小，密封性能较好。