不銹鋼水管卡壓式連接設(shè)計(jì)原理

現(xiàn)在，DN250以內(nèi)的金屬管道連接，流行著一種國(guó)內(nèi)稱之為“卡壓式”連接。特別是薄壁不銹鋼管道，我國(guó)正大力推廣卡壓式連接。而這種連接方式常用的有兩種，單卡連接(M型連接)和雙卡連接(V型連接)，兩者的連接原理是相同的。

在論述卡壓式連接原理之前，首先說(shuō)明它的密封連接原理是和產(chǎn)品名稱的"卡壓”是不粘邊的，與擠壓有關(guān)系，是屬于承插式彈性密封擠壓式連接 。

卡壓式連接，是由瑞士工程師從傳統(tǒng)的承插外性密封圈連接改良而成，是屬干承插式彈性密封擠壓式連接、它是利用金屬可塑性強(qiáng)的特性，用專用工具，將金屬管件承口密封槽部位擠壓，使密封件發(fā)生彈性變形而達(dá)到密封效果。O形彈性密封圈的壓縮率最佳值為15%-25%。擠壓的過(guò)程中，也將管子與管件承口配合處，擠壓變形成為多邊形或橢圓形。如:六角形、八角形和梨形等......使管件與管子兩者間不會(huì)產(chǎn)生徑向和軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管道無(wú)泄漏和無(wú)移位的絕對(duì)密封連接。

我國(guó)已經(jīng)有了一套完整的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn): GB/T 19228. -2011 不銹鋼卡壓式管件組件 第1部分卡壓式管件，GB/T19228.3-2012 O形橡膠密封圈，要設(shè)計(jì)出一款好的卡壓式管件，必須要熟悉O形密封圈的靜密封原理和技術(shù)要求。O形密封圈是一種擠壓型密封， 擠壓型密封的基本工作原理是:依靠O形密封圈在密封槽里發(fā)生彈性變形，在密封接觸面上造成接觸壓力，接觸壓力大于被密封介質(zhì)的內(nèi)壓，則不發(fā)生泄漏，反之則發(fā)生泄漏。在用于靜密封時(shí)，密封接觸面接觸壓力產(chǎn)生原因和計(jì)算方法與動(dòng)密封原理不盡相同，請(qǐng)注意。

O型圈截面直徑的壓縮率和拉伸量是密封設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,對(duì)密封性能和使用壽命有重要意義。所以，管件承口的設(shè)計(jì)前，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)中選取相應(yīng)的密封圈。井根據(jù)所選擇的密封圈有關(guān)數(shù)據(jù)，作為設(shè)計(jì)的承口密封槽的依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)承口。O型密封圈有良好的密封效果很大程度上取決于O型圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配形成合理的密封圈壓縮量與拉伸量。

壓縮率w通常用下式表示

W=d0-h/d0 x 100%

式中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)從如下三方面考慮:

1、要有足夠的密封接觸面積；

2、摩擦力盡量小；

3、盡量避免水久變形。

O型圈在裝入密封溝槽后，一般都有一定的拉伸量。與壓縮率一樣,拉伸量的大小對(duì)O型圈的密封性能和使用壽命也有很大的影響。拉伸最大不但會(huì)導(dǎo)致O型圈安裝困難，同時(shí)也會(huì)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

a=(d+d0)/(d1+d0)

式中d- -軸徑(mm)   d1- O形圈內(nèi)徑(mm)

從以上這些因素不難發(fā)現(xiàn)，他們相互之間存在矛盾，壓縮率大就可獲得大的接觸壓力，但是過(guò)大的壓縮率無(wú)疑就會(huì)增大滑動(dòng)摩擦力和永久變形。而壓縮率過(guò)小則可能由于密封溝槽的同軸度誤差和O形圈誤差不符合要求,消失部分壓縮量而引起泄漏。因此在選擇O形圈的壓縮率時(shí)，要權(quán)衡各方面的因素。一般靜密封壓縮率大干動(dòng)密封，但其極值應(yīng)小于25%,否則壓縮應(yīng)力明顯松弛,將產(chǎn)生過(guò)大的水久變形，在高溫工況中尤為嚴(yán)重。

綜合上述，卡壓式管件的設(shè)計(jì)，在選擇O形密封圈后，密封槽的設(shè)計(jì)最重要。而不是某些“專家”和“權(quán)威"所說(shuō)的，是管件的管子插入端的端口外側(cè)到密封槽中心之距離。雙卡管件端口的平直段，其功能為管子插入的導(dǎo)向。實(shí)際也是如此，雙卡管件端口的平直段與密封毫無(wú)關(guān)系。如果單，雙卡管件密封槽的設(shè)計(jì)是一致的。那么一個(gè)卡壓工具，可擠壓同一規(guī)格的單雙卡管件了，多方便啊!

卡壓式管件的設(shè)計(jì)的另一個(gè)要求是:承口的密封槽壓縮后的尺寸應(yīng)與O形圈尺寸應(yīng)正確匹配，但密封槽已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、可直接套用為壓縮后的尺寸即鉗口的尺寸。難的是壓縮前密封槽的尺寸和形狀的設(shè)計(jì)，使之在壓縮后密封槽的尺寸和形狀與標(biāo)準(zhǔn)密封槽相同。所以，承口密封槽壓縮前的壁厚要均勻，各點(diǎn)壁厚的誤差不應(yīng)大于或少于產(chǎn)品要求壁厚的5%。因?yàn)槊芊獠鄣谋诤窬?

  勻程度，會(huì)影響到密封槽被擠壓后變形是否能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。若壓縮后尺寸和截面形狀嚴(yán)重超差，公影響到管件的密封性和使用壽向。

現(xiàn)在卡壓式管件加工方法，不外乎芯棒成形、空腹成形和內(nèi)壓成形，或者多種加工工藝混合成形。內(nèi)壓成形又分為固體(彈性體，冰或低熔點(diǎn)金屬)填充的內(nèi)壓成膽和液體填充內(nèi)壓成形。

多種加工方法之中，能控制壁厚均勻程度的，應(yīng)該是內(nèi)壓成形工藝。當(dāng)管件擠壓脹形時(shí)，坯件將產(chǎn)生大位移和大變形。既存在材料非線性，又存在幾何非線性，變形機(jī)制較為復(fù)雜。為了正確地揭示其變形規(guī)律，須采用非線性連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論進(jìn)行描述。以雙重非線性塑性變形特征的有限變形理論為基礎(chǔ)，所建立的動(dòng)力分析有限元方程為:

該式可采用基本于時(shí)間中心時(shí)間差分的顯式方法求解，其中由于有限阻尼自由振動(dòng)問(wèn)題中，質(zhì)量及阻尼系數(shù)的大小并不影響平衡位置，即不影響位移場(chǎng)u。只是影響振動(dòng)趨于穩(wěn)態(tài)位置所需的時(shí)間，因而在設(shè)計(jì)動(dòng)力算法求解位移場(chǎng)時(shí)，應(yīng)選取合適的質(zhì)量矩陣及阻尼矩陳以利求解，即質(zhì)量矩陣采用對(duì)角化處理。阻尼系數(shù)選取臨界阻尼系數(shù)以得到較快的收斂速度。

增大脹形力和平衡力，提高變形金屬的靜液體壓力，將有效地提高管壞金屬的成形極限，而對(duì)管件的成形過(guò)程及壁厚變化不產(chǎn)生影響。

在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)卡壓式連接管件時(shí)，只需把握好上述的要點(diǎn)，一定能夠生產(chǎn)出壁厚均勻，結(jié)構(gòu)合理的優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)管道無(wú)泄漏和無(wú)移位的絕對(duì)密封連接，生產(chǎn)出使用壽命50年以上的卡壓式管件。

若各卡壓式管件生產(chǎn)企業(yè)，使夠按上述去做，我國(guó)的卡壓管道產(chǎn)品，就可以做到互相通用，不再埋怨什么工具問(wèn)題和標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題了，可以沖向世界!