第１３期櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆殰
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生产与应用
收稿日期：２０１９－０４－１１
作者简介：杨伟龙（１９８７—），男，广东揭阳人，机械工程师。
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）
摘要：本文通过研究水冷系统中常见的密封方式，探究其结构特点、密封原理和设计要点，为水冷管路
系统密封结构设计提供参考。关键词：水冷系统；法兰密封；螺纹密封中图分类号：ＴＱ０５５．８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１９）１３－０１０７－０３ ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＣｏｍｍｏｎＳｅａｌｉｎｇＭｅｔｈｏｄｓｏｆＷａｔｅｒＣｏｏｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍＰｉｐｅｌｉｎｅ
ＹａｎｇＷｅｉｌｏｎｇ，ＧｕｏＳｈａｏｑｉａｎｇ，ＨｏｎｇＣｈｕｎｆｅｎｇ，ＦｕＸｉａｙｉｎｇ，ＬｕｏＹｉｑｉａｎｇ，ＭｅｎｇＹｕａｎｋａｉ
（ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｏａｌａｎｄＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎＴｅｃｈ．Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，ＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｅｐｔ．３，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６６３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｃｏｍｍｏｎｓｅａｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｉｎｗａｔｅｒｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｅｘｐｌｏｒｅｓｉｔｓｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｓｅａｌｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｐｏｉｎｔｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｅａｌｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｗａｔｅｒｃｏｏｌｉｎｇｐｉｐｅｌｉｎｅｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｔｅｒｃｏｏｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｐｉｐｅｌｉｎｅ；ｓｅａｌｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ
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：
66aaaa１）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热流道热电偶
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
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７０１·杨伟龙，等：关于水冷系统管路常见密封方式的研究
山 东 化 工
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
．５ＭＰａ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。
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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。
复合膜
表１ 常见密封材料性能对照表
名称代号主要特点
工作温度／℃主要用途
丁晴橡胶
ＮＢＲ
耐油性能好，耐磨性好，较好耐高温，低温性能差，
弹性较差。
－４０～＋１２０
制造Ｏ形圈、油封等。应用于液压、油压设
备等机械设备的密封。
乙丙橡胶ＥＰＤＭ耐气候性好，耐老化良好，耐多种弱酸化学介质腐蚀，不适用于矿物油。－５５～＋２６０
用于制造密封圈、密封环等，广泛应用于各类机械设备的密封。
聚四氟乙烯ＰＴＦＥ耐化学腐蚀，耐高温，耐寒性好，抗老化性好，机械强度高，耐高压，耐磨性好，摩擦系数极低，自润滑性好，弹性较差，做法兰密封垫片时需要打预紧力矩，不能重复使用。
－５５～＋２６０
用于制造密封环、耐磨环等，为机械设备上
常用的密封材料。
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１６ｂａｒ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＝１６ｂａｒ）
规格钢法兰／厚度
垫片／厚度
六角螺帽厚度
计算螺杠长度
配套螺栓尺寸
法兰螺栓孔数量
ＤＮ１５１４３１０４９Ｍ１２４ＤＮ２０１６３１０５３Ｍ１２４ＤＮ２５１６３１０５３Ｍ１２４ＤＮ３２１８３１３６１．５Ｍ１６４ＤＮ４０１８３１３６１．５Ｍ１６４ＤＮ５０２０３１３６５．５Ｍ１６４ＤＮ６５２０３１３６５．５Ｍ１６４ＤＮ８０２０３１３６５．５Ｍ１６８ＤＮ１００２２３１３６９．５Ｍ１６８ＤＮ１２５２２３１３６９．５Ｍ１６８ＤＮ１５０２４３１６７８Ｍ２０８ＤＮ２００
２４
３
１６
７８
Ｍ２０
８
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：
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８０１·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１９年第４８卷
第１３期
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
塑料制品加工设备连接件之间加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１．８ｍｍ，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。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。
（下转第１１１页）
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９０１·杨伟龙，等：关于水冷系统管路常见密封方式的研究
第１３期Ｆｅ＋１
２Ｏ２
＋Ｈ２Ｏ＝Ｆｅ（ＯＨ）２
在溶解氧等氧化性物质的作用下将继续发生如下反应：Ｆｅ（ＯＨ）２→Ｆｅ（ＯＨ）３
↓三价铁不断形成氢氧化铁沉淀物，将会促进反应不断进行，进而加速了金属铁溶解为二价铁，给碳钢设备和管路的带来持续性腐蚀威胁。
３ 水处理应对措施３．１ 定期补加纯碱
为了有效缓解循环水总碱度偏低的问题，循环水系统采用定期补加纯碱的方法，根据水体的总碱度水平，一次性补入水池，纯碱投加后，系统的总碱度呈现出缓慢衰减的过程，循环水总碱度的变化趋势
见图３
。
图３ 补加纯碱后循环水总碱度变化趋势循环水采用补加纯碱后，虽然总碱度仍有短时低于１００ｍｇ／Ｌ的情况，但总体来说可以满足水处理方案实施的要求。该方案与缓蚀阻垢剂的配合使用，有效抑制了系统的腐蚀倾向。
３．２ 总铁偏高处理措施
３．２．１ 循环水投加除铁剂
当循环水长时间总铁偏高时，在旁滤器进水管投加一定浓度的除铁剂，并延长旁滤器反洗时间或增加反洗频率。此种方小型振动器
案对于循环水总铁的控制效果显著，在补水总铁达到５ｍ
ｇ／Ｌ左右时，仍能保证循环水总铁浓度控制在标准要求范围（总铁≤１
ｍｇ／Ｌ）［１］
内。图４为２０１７年９月４日开始投加除铁剂后循
环水总铁的变化趋势。
图４ 除铁剂投加后循环水总铁变化趋势
３．２．２ 原水絮凝剂投加点调整
为了有效降低补充水的总铁浓度，经过改造，将絮凝剂的投加点前移至原水管线加压泵站。此种方案增加了絮凝剂与原水的混合效果并延长了絮凝作用时间，运行结果表明，此种方案对于降低补充水中的总铁含量作用明显。３．２．３ 缓蚀阻垢剂的优化升级为应对总铁偏高对于腐蚀、沉积的影响，天津正达科技有限责任公司在原水处理方案基础上进行了大量的实验研究，不断优化，并及时将各项措施逐步落实，保证了循环水系统的安全稳定运行。
４ 结论
循环水是工业生产的血液系统，是生产安全运行的重要保障。循环水系统克服了总碱度偏低、总铁偏高等等难题，实现了循环水水质稳定及换热器的安全运行。
参考文献
［１］建设部．ＧＢ５００５０－２００７工业循环冷却水处理设计规范
［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００８．（本文文献格式：熊 烨．总碱偏低及总铁偏高对循环水的危害
和应对措施［
Ｊ］．山东化工，２０１９，４８（１３）：１１０－１１１．檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻檻
）（上接第１０９页）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％式中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。
参考文献
［１］邢桂萍，罗广辉，郑新兵．法兰密封泄漏的原因分析［Ｊ］．石
油化工设备技术，２００８，２９（２）：６３－６６．［２］王 璇．常用密封垫片的选型和安装［Ｊ］．通用机械，２００５
（７）：６４－６６．［３］胡艳萍，王开远．管螺纹及其相关标准［Ｊ］．汽车工艺与材
料，２００８（４）：３５－３７．（本文文献格式：杨伟龙，郭绍强，洪春凤，等．关于水冷系统管
路常见密封方式的研究［Ｊ］．山东化工，２０１９，４８（１３）：１０７－１０９，１１１．）
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１１１·熊 烨，等：总碱偏低及总铁偏高对循环水的危害和应对措施
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