卡套式管接頭的應(yīng)用研究

杜春臣，林立峰

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

卡套式管接頭的應(yīng)用研究

杜春臣，林立峰

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

介紹了卡套式管接頭的結(jié)構(gòu)及密封原理，詳細(xì)分析了卡套式管接頭預(yù)裝及正裝時(shí)的技術(shù)要點(diǎn)，提出了預(yù)防密封失效的措施。

卡套管接頭預(yù)裝配密封失效

1 簡介

卡套式管接頭由于其連接牢固、耐壓能力高、密封性能好以及良好的拆裝性能，在小直徑管路連接中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，它與鋼管連接時(shí)不需要焊接，有利于防火、防爆和高空作業(yè)，并能消除焊接帶來的弊端，因而是液壓氣動(dòng)系統(tǒng)中較為理想的連接件，適用于油、氣、水等。但是，卡套式管接頭需配用冷拔鋼管、優(yōu)質(zhì)卡套以及重視裝配過程中的技術(shù)要點(diǎn)等要求，國內(nèi)部分企業(yè)還沒有完全掌握合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和卡套的熱處理技術(shù)，同時(shí)缺乏相應(yīng)的工藝技術(shù)，容易引起泄漏，導(dǎo)致卡套失效［1］。本文從卡套式管接頭的密封原理、裝配工藝等方面詳細(xì)介紹，并提出預(yù)防失效的措施。

2 卡套式管接頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

2.1 卡套式管接頭的分類

卡套式管接頭型式較多，但能代表其共同特點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)卻比較簡單，只有接頭、卡套和并緊螺母三個(gè)基本零件，見圖1。其中卡套是關(guān)鍵零件?？ㄌ资焦芙宇^按卡套結(jié)構(gòu)形式可分為單卡套式管接頭和雙卡套式管接頭，單卡套式管接頭按刃口數(shù)目，又可分為單刃式和雙刃式（又稱漸進(jìn)式多刃卡套），其具體形式見圖2。

圖1 卡套式管接頭連接示意圖

國外的卡套式管接頭產(chǎn)品已發(fā)展到第四、第五代，而國內(nèi)還停留在第一代，其標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3764—2008）也無較大改進(jìn)［2］，且國內(nèi)常見的卡套多為單刃式卡套。本文以單刃式卡套管接頭為例，通過介紹其密封原理及裝配工藝，提出降低失效風(fēng)險(xiǎn)的措施。單刃式管接頭結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)材質(zhì)及裝配要求高，在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用；雙刃式管接頭起到雙密封作用，可靠性提高，但卡套加工困難；雙卡套式管接頭的密封和卡緊效果更佳，易于安裝，但零件數(shù)量增多，安裝扭矩較大，在國外有著廣泛的應(yīng)用，見圖3。

圖2 卡套式管接頭連接示意圖

圖3 雙卡套式管接頭

2.2 卡套式管接頭的密封原理

在裝配過程中，卡套處于接頭、并緊螺母和鋼管三者之間形成的環(huán)形空腔內(nèi)，如圖4所示。隨著并緊螺母的旋轉(zhuǎn)，螺母90°內(nèi)錐面和接頭24°內(nèi)錐面之間軸向距離縮小，接頭24°內(nèi)錐面壓緊卡套前端環(huán)形棱邊，產(chǎn)生壓力F，使卡套前端徑向收縮，同時(shí)起到外密封作用，卡套尾端86°錐面與并緊螺母90°內(nèi)錐面接觸，產(chǎn)生壓力F′。卡套兩端在F和F′的徑向分力Fy′和的作用下產(chǎn)生徑向收縮，逐步消除其與管子外壁之間的間隙，繼而其鋒利的刃口切入管壁，在管子表面切出一條閉口環(huán)槽，卡套刃口嵌入環(huán)槽內(nèi)，起到內(nèi)密封和抗拔脫作用?？ㄌ字胁坎皇軓较蛄ψ饔?，稍有拱起，增強(qiáng)了卡套的彈性，使得其有足夠的作用力F和F′，從而保證密封性、抗振性，也對(duì)螺紋起到放松作用［3］。

2.3 卡套式管接頭的性能分析

根據(jù)GB/T 3764-2008“卡套”中的規(guī)定，卡套式管接頭的最大工作壓力為10 MPa～63 MPa，其壓力值與管徑有關(guān)。從理論上分析，卡套式管接頭結(jié)構(gòu)簡單、裝配方便，但從實(shí)際使用效果來看，單刃口卡套式管接頭并不是一種最佳的管路連接方式，仍存在一些不足之處。

圖4 卡套受力分析圖

首先，單刃口卡套沒有很好的溫差補(bǔ)償功能，當(dāng)用于溫度變化較大的環(huán)境中，其密封性能會(huì)大大降低。另外，接頭及鋼管等零件材質(zhì)不同，其熱膨脹系數(shù)不同，溫差變化較大時(shí)三者之間有可能形成間隙，產(chǎn)生泄漏。

卡套作為密封的關(guān)鍵零件，裝配時(shí)很難確保刃口處均勻地切入鋼管表面深度0.25 mm～0.5 mm，且產(chǎn)生此變形需要相當(dāng)大的外力。根據(jù)有關(guān)資料［4］顯示：裝配Φ6 mm～Φ10 mm卡套的擰緊力為64 N～115 N，Φ16 mm為259 N，Φ18 mm為450 N。因此，在裝配之前必須先在專門的卡套預(yù)裝器上進(jìn)行預(yù)裝，才能達(dá)到理想切入效果。否則，一次裝配合格率低于60%［2］。

此外，單刃口卡套式管接頭重復(fù)拆裝，其性能較差。由于刃口切入鋼管，導(dǎo)致二者產(chǎn)生永久變形，多次拆裝后，因卡套與接頭體沒有裝配補(bǔ)償量，易出現(xiàn)泄漏。單刃口卡套式管接頭一般僅應(yīng)用于低壓、管徑小于Φ20 mm、且不需多次裝拆的場合。

因此，為保證單刃口卡套式管接頭的密封效果，需要從材質(zhì)、加工工藝及裝配等方面嚴(yán)格要求。

3 卡套式管接頭的裝配分析

3.1 零件選材及加工要求

按照國標(biāo)要求，鋼管一般選用經(jīng)退火處理、消除應(yīng)力的20#精拔管或10#冷拔（或冷軋）無縫鋼管。鋼管材質(zhì)對(duì)卡套的刃口切入性能提出了較高的要求。此外，對(duì)于鋼管的圓度也有一定要求，否則易導(dǎo)致卡套式接頭出現(xiàn)漏油和脫拔現(xiàn)象。

鋼管在切割過程中，為保證割管端面的垂直度，使鋼管垂直插入接頭，可以利用V型鋸管導(dǎo)向器，見圖5。切割后的管口應(yīng)去毛刺和倒角（最大倒角為0.2×45°）。對(duì)于需要彎折的鋼管，從鋼管端面至彎曲部位的直線段長度應(yīng)不小于2倍并緊螺母的長度，如圖6所示。

圖5 V型鋸管導(dǎo)向器

圖6 彎管直線段長度

卡套由于精度要求高且為薄壁零件，需要考慮因切削力引起的卡套變形，否則會(huì)影響其密封性能及可靠性?？ㄌ椎娜锌诓糠?，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸小，加工精度控制較困難，這也是國內(nèi)卡套企業(yè)急需解決的關(guān)鍵加工技術(shù)。

接頭的設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)滿足國標(biāo)GB/T 3764-2008中的要求，重點(diǎn)是控制24°錐面的粗糙度值（1.6），以及內(nèi)錐深度值7.5 mm（按管徑值選?。?。

3.2 卡套式管接頭的預(yù)裝配

如前所述，為使卡套能理想地切入鋼管表面深度達(dá)到0.25 mm～0.5 mm，提高正式裝配效率，卡套式管接頭在正式裝配前應(yīng)該進(jìn)行預(yù)裝配。預(yù)裝配的方法有兩種：一種是手工預(yù)裝；另一種是機(jī)器預(yù)裝，即在專用設(shè)備上進(jìn)行預(yù)裝。在結(jié)合已有資料的基礎(chǔ)上，分別對(duì)兩種裝配方式進(jìn)行介紹［5］。

3.2.1 手工預(yù)裝配的操作方法

（1）先在預(yù)裝工具的內(nèi)錐面及外螺紋處涂適量潤滑脂，以減少對(duì)零件的磨損。

（2）將并緊螺母和卡套套在鋼管上，將鋼管插入預(yù)裝模具的內(nèi)錐形孔內(nèi)，使鋼管端面與模具的內(nèi)孔端面貼緊。如果沒有預(yù)裝模具，也可使用實(shí)際裝配的接頭作為預(yù)裝工具，但同一接頭不宜超過5次預(yù)裝。

（3）預(yù)裝時(shí)用手將并緊螺母擰到預(yù)裝模具上，同時(shí)慢慢左右轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管，但要保證鋼管的端面與預(yù)裝工具內(nèi)孔端面始終垂直，以保證卡套均勻地切入管口。

（4）當(dāng)并緊螺母擰緊到不能手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)鋼管時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，再將并緊螺母擰緊1～5/4圈，即可以達(dá)到要求的緊固程度，如圖7所示。

圖7 手工預(yù)裝擰緊示意圖

圖8 機(jī)器預(yù)裝內(nèi)錐模具

3.2.2 機(jī)器預(yù)裝配的操作方法

與手工預(yù)裝相比，機(jī)器預(yù)裝是靠外力（如液壓、電動(dòng)等）推動(dòng)內(nèi)錐模具，推行一定行程后，使卡套刃口切入鋼管，達(dá)到要求的切入量。預(yù)裝完成后，可通過剖面檢查效果。若發(fā)現(xiàn)卡套的外圓錐面有圓弧疊起變形時(shí)，說明推力過大；當(dāng)發(fā)現(xiàn)切入深度不足時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高推力，直至理想狀態(tài)。由此可見，推力大小是機(jī)器預(yù)裝的關(guān)鍵因素，其值需要通過大量試驗(yàn)來確定。此外，內(nèi)錐模具的形狀對(duì)卡套變形也起到關(guān)鍵作用。以M26×1.5螺紋為例，內(nèi)錐深度為7.5 mm，錐面角度為24°，見圖8。部分企業(yè)將內(nèi)錐模具的24°錐面調(diào)整為27°或28°，將使得卡套的彎曲變形更加明顯，在正式裝配時(shí)更容易與接頭貼合［6］。其次，將內(nèi)錐深度7.5 mm縮小，避免實(shí)際接頭深度值偏小，有頂死的風(fēng)險(xiǎn)。有資料顯示，卡套刃口距鋼管端面的距離一般為3～4mm，否則容易頂死。該值的大小需要試驗(yàn)來確定。

目前，由于機(jī)械預(yù)裝具有良好的一致性及預(yù)裝效果，正在取代手工預(yù)裝。

3.3 卡套式管接頭的正式裝配

對(duì)已預(yù)裝過的卡套接頭，正式裝配就相對(duì)簡單，具體操作如下：

（1）正式裝配前應(yīng)再次檢查已預(yù)裝好的卡套、管子及接頭，防止在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生劃痕和污物等。

（2）在卡套的密封錐面和接頭體的內(nèi)錐面以及外螺紋處涂抹適量的潤滑脂油（一般適用于管徑20 mm以上的裝配），防止擰緊螺母時(shí)造成密封面的磨損。

（3）將鋼管插入接頭時(shí)，不能用力過大，避免將預(yù)裝時(shí)已切入管壁的卡套刃口退出。

（4）擰緊螺母時(shí)，要使用扭矩扳手來控制緊固力矩的大小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，當(dāng)力矩開始突然增大時(shí)，再將并緊螺母擰緊1/6～1/4圈即可。不能過大或過小，否則均可引起泄漏。

4 卡套式管接頭密封失效的預(yù)防措施

卡套式管接頭由于密封失效引起泄漏的位置主要有兩處：卡套刃口與鋼管接觸的內(nèi)密封處，卡套與接頭錐面接觸的外密封處。

由于內(nèi)密封需要卡套預(yù)裝來保證，因此，對(duì)預(yù)裝的卡套應(yīng)進(jìn)行抽樣檢查。首先，預(yù)裝后卡套允許微量轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能軸向竄動(dòng)；其次，進(jìn)行剖面檢查。查看卡套刃口是否嵌入鋼管外壁，且確認(rèn)刃口是否有局部崩裂現(xiàn)象，凹槽是否均勻規(guī)整；第三，預(yù)裝完成后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為工作壓力的2倍，不允許有泄漏［7，8］。

與內(nèi)密封相反，外密封需要靠正式裝配來保證。除上述正式裝配操作要求外，其余注意事項(xiàng)為：

（1）嚴(yán)禁在卡套內(nèi)涂抹密封膠等填充物，以防密封膠被沖后泄漏并堵塞管路。

（2）裝配力矩不宜過大或過小。力矩過小，使其密封壓力不足；力矩過大，使卡套屈服變形而喪失彈性。

（3）管路連接時(shí)應(yīng)避免其承受側(cè)向力，側(cè)向力過大會(huì)造成密封不嚴(yán)。

（4）連接管路應(yīng)盡量一次性擰緊，避免多次拆卸，否則會(huì)使密封性能變差。

5 小結(jié)

卡套式管路連接方式是一種先進(jìn)的管路連接方式，在機(jī)械、液壓、空調(diào)、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，工程設(shè)計(jì)中可以優(yōu)先考慮采用。盡管現(xiàn)階段國產(chǎn)卡套式接頭的可靠性和進(jìn)口接頭相比還有一定差距，但只要從預(yù)裝、正裝等關(guān)鍵工序注意相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，還是可以達(dá)到良好的密封效果。

［1］程芳玲.金屬卡套是管接頭裝配工藝［J］.機(jī)車車輛工藝，2011（1）.

［2］陳勝.船用高壓卡套式管接頭及其配套設(shè)備研究［D］.浙江大學(xué)浙江海洋學(xué)院，2013.

［3］汪愷.機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)［M］.1997.

［4］雷雄.（單）卡套式與雙卡套式管接頭的密封性能對(duì)比［J］.液壓氣動(dòng)與密封，2002（4）.

［5］鄭金生.卡套式管接頭的密封及泄漏的分析［J］.機(jī)床與液壓，1992（4）.

［6］陳友明.卡套式管接頭的預(yù)裝［J］.工程機(jī)械，1995（5）.

［7］李明昕.卡套式管接頭的應(yīng)用探討［J］.機(jī)械與自動(dòng)化，2014（7）.

［8］朱瑞松.壓力容器［J］.機(jī)械與自動(dòng)化，2013（6）.

Application&Research of Bite Type Pipe Joint

Du Chunchen，Lin Lifeng
（Shanghai Diesel Engine Co.，Ltd，Shanghai 200438，China）

Bite type pipe joint of construct and seal principle are introduced，Detail analysis bite type pipe joint preassembling and assembled technology main point，put forward the prevention measures of seal failure.

bite type，pipe joints，preassembling，seal failure

10.3969/j.issn.1671-0614.2015.04.009

來稿日期：2015-06-29

杜春臣（1987-），男，碩士，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)零部件設(shè)計(jì)及性能研究。