溝槽式卡箍及管件的結(jié)構(gòu)分析

紀(jì)騰飛　趙斌　金躍峰　劉釗

溝槽式卡箍及管件的結(jié)構(gòu)分析

紀(jì)騰飛*趙斌金躍峰劉釗

（西部金屬材料有限公司）

溝槽式卡箍由于其橡膠密封圈和卡箍采用特殊的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得溝槽連接件具有良好的密封性。為了證明溝槽式卡箍結(jié)構(gòu)的可靠性以及了解卡箍在工作時(shí)的應(yīng)力分布，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4732—1995對(duì)溝槽式卡箍的強(qiáng)度進(jìn)行了應(yīng)力分析及評(píng)定。分析表明，溝槽式卡箍的結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)定壓力下的強(qiáng)度要求，應(yīng)力集中位置位于卡箍?jī)?nèi)側(cè)的圓角處，通過(guò)對(duì)該部位的加強(qiáng)可以提高卡箍的整體強(qiáng)度和安全性。

溝槽式卡箍應(yīng)力分析管件強(qiáng)度密封性壓力試驗(yàn)

0　前言

傳統(tǒng)的管道連接常使用焊接和法蘭連接的方式。采用這些連接方式不但需要有相應(yīng)技能的焊接工人，而且工人的操作難度大，裝配時(shí)間長(zhǎng)，同時(shí)還存在焊接煙塵污染等問(wèn)題。由于操作空間和焊接技能的差異，焊接質(zhì)量和外觀都難以達(dá)到滿意的結(jié)果。由于操作空間小，管道在一些墻角的安裝非常困難，從而影響工程的整體進(jìn)度和質(zhì)量。溝槽式卡箍由于其橡膠密封圈和卡箍采用特殊的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得溝槽連接件具有良好的密封性，并且隨管內(nèi)流體壓力的增高，其密封性相應(yīng)地增強(qiáng)，因此溝槽式卡箍可以應(yīng)用于常壓及高壓的各種工況。

目前溝槽式卡箍廣泛應(yīng)用于各種較小規(guī)格尺寸的管路連接，如建筑給排水管路、自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、通風(fēng)與空調(diào)工程、海水淡化管路系統(tǒng)等。

1　密封結(jié)構(gòu)

如圖1所示，溝槽式卡箍及管件主要由四部分組成：C形密封橡膠圈、卡箍、連接管件和鎖緊螺栓。位于內(nèi)層的C形橡膠密封圈置于被連接管道的外側(cè)，并與預(yù)先車制的溝槽相吻合，在橡膠圈的外部扣上卡箍，然后用兩顆螺栓緊固即可。

密封圈截面為“C”形，在靜態(tài)時(shí)貼緊管道末端表面形成初次密封；卡箍鎖緊時(shí)墊圈受到來(lái)自卡箍?jī)?nèi)部限制的壓力，被動(dòng)壓制在管道末端，形成二次密封；管道內(nèi)流體進(jìn)入C形圈內(nèi)腔，反作用于墊圈唇邊，從而使墊圈唇邊與管道末端無(wú)間隙地緊密配合，形成三次密封。也就是說(shuō)，管道內(nèi)液體壓力越大，密封性能越好［1］。連接管件上有機(jī)械加工的溝槽，安裝時(shí)卡箍?jī)啥饲度霚喜?，防止管件軸向竄動(dòng)。鎖緊螺栓采用圓頭橢圓徑螺栓，安裝時(shí)只需單邊緊固即可實(shí)現(xiàn)卡箍的安裝。

圖1　溝槽式管接件結(jié)構(gòu)

2　材料

建筑給排水管路用溝槽式卡箍一般使用球墨鑄鐵件，其優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高、延伸性好以及耐腐蝕性能好。劣質(zhì)的球墨鑄鐵或鑄鋼管件安裝在管道上后，抗疲勞性能差，在長(zhǎng)年的使用中一旦斷裂或爆炸，即造成水災(zāi)。利用廢鋼生產(chǎn)的鑄鋼管件容易變形、生銹，鑄鋼卡箍管件如不進(jìn)行熱熔鍍鋅處理，會(huì)出現(xiàn)片狀形生銹，極易造成管道泄漏［2］。

海水淡化管路采用溝槽式卡箍時(shí)，由于需要承受較高壓力以及海水的沖蝕，一般使用雙相不銹鋼制作。由于不銹鋼卡箍沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，因此卡箍的結(jié)構(gòu)及性能無(wú)法得到可靠保證。

3　溝槽式卡箍的應(yīng)力分析

為了證明溝槽式卡箍結(jié)構(gòu)的可靠性以及了解卡箍在工作時(shí)的應(yīng)力分布，根據(jù)JB/T 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》使用ANSYS軟件模擬溝槽式卡箍和管件在實(shí)際工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布，對(duì)卡箍的應(yīng)力集中部位進(jìn)行分析，以確保該工況下溝槽式卡箍和管件具有足夠的強(qiáng)度。

3.1材料性能

溝槽式卡箍及管件材料可選用雙相不銹鋼，材料參數(shù)按表1選取。

表1　雙相不銹鋼材料性能

3.2建模

（1）幾何模型和網(wǎng)格劃分

模型尺寸按照DN40規(guī)格進(jìn)行制作。根據(jù)卡箍幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取卡箍及連接管件的環(huán)向1/4建立模型。在有限元模型建立的過(guò)程中，只考慮卡箍和管件的強(qiáng)度，而不考慮溫度場(chǎng)及管內(nèi)腐蝕介質(zhì)對(duì)卡箍的影響。幾何模型和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　溝槽式管件的幾何模型及網(wǎng)格劃分

（2）位移邊界條件和載荷

劃分網(wǎng)格后，在連接管件的內(nèi)壁及溝槽式卡箍與橡膠密封圈的接觸面施加設(shè)計(jì)壓力20 MPa；在溝槽式卡箍、管件和緊固螺栓的截面施加對(duì)稱約束；在緊固螺栓的截面上施加Z向的位移約束，限制緊固件的軸向位移。位移邊界條件和載荷見(jiàn)圖3。

圖3　位移邊界條件及載荷

3.3應(yīng)力分析結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，選用第三強(qiáng)度理論對(duì)卡箍應(yīng)力進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示。

對(duì)卡箍上應(yīng)力集中的危險(xiǎn)截面進(jìn)行路徑線性化，共選取2條路徑，如圖5所示。應(yīng)力評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4　卡箍應(yīng)力云圖

圖5　卡箍應(yīng)力路徑

表2　溝槽式卡箍應(yīng)力評(píng)定

由表2可見(jiàn)，溝槽式卡箍的應(yīng)力集中部位的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的許用極限，這證明卡箍的厚度在設(shè)計(jì)壓力下仍然具有較大的裕量，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臏p薄來(lái)提高卡箍的使用效率，降低生產(chǎn)成本。

4　壓力試驗(yàn)

為了驗(yàn)證溝槽式卡箍的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能，參照GB 5135.11—2006《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)-溝槽連接件》標(biāo)準(zhǔn)要求，采用機(jī)械加工制作了DN40、DN50、DN80不銹鋼溝槽式卡箍，材料為2205不銹鋼，使用公司自制的溝槽式管件試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行壓力試驗(yàn)和接頭偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)。

4.1試驗(yàn)方法

試驗(yàn)組件充滿水并排除空氣，管路內(nèi)的壓力以不超過(guò)2 MPa/min的速率遞增，直至達(dá)到試件的額定工作壓力（8.3 MPa），保壓10 min。然后在卡箍表面豎直施加力矩，用角度傳感器測(cè)出溝槽管接頭（卡箍）軸線與水平直管的角度α1（α1＝180°），滿足偏轉(zhuǎn)角角度要求并且無(wú)任何泄漏為合格。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

（1）壓力試驗(yàn)。通過(guò)壓力變送器的數(shù)字顯示確定所達(dá)到的試驗(yàn)壓力8.9 MPa，并進(jìn)行保壓。卡箍均保壓10 min，泄漏數(shù)值在0.05 MPa之內(nèi)，此為壓力變送器數(shù)值浮動(dòng)范圍（震動(dòng)、碰撞均有可能引起數(shù)值輕微浮動(dòng)）。試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，不銹鋼溝槽式卡箍外觀無(wú)異常，未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。

（2）偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)。使用頂壓油缸對(duì)卡箍結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂壓，偏轉(zhuǎn)角分別為3.08°和2.06°。試驗(yàn)過(guò)程中及卸載頂壓壓力后，DN50不銹鋼溝槽式卡箍外觀無(wú)異常，未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。接頭偏轉(zhuǎn)角如圖6所示。試驗(yàn)表明，在該額定工作壓力下，卡箍的承壓性能及密封性能完全滿足要求。

圖6　接頭偏轉(zhuǎn)角試驗(yàn)

5　結(jié)語(yǔ)

溝槽式卡箍及管件的使用，使復(fù)雜的管道連接變得更加簡(jiǎn)單快捷。通過(guò)分析證明，溝槽式卡箍的結(jié)構(gòu)能夠滿足較高設(shè)計(jì)壓力下的強(qiáng)度，具有較多的優(yōu)勢(shì)?？ü恐袘?yīng)力集中位置位于卡箍?jī)?nèi)側(cè)的圓角處，通過(guò)對(duì)該部位的加強(qiáng)可以提高卡箍整體的強(qiáng)度和安全性。

［1］黃曉家，陶松岳.溝槽式管接頭（卡箍）在我國(guó)水消防中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.給水排水，2006，32（11）：89-92.

［2］胡纓.談溝槽式管件的應(yīng)用與發(fā)展［J］.建材與裝飾，2008（4）：292-293.

Structure Analysis of Grooved Couplings&Grooved Fittings

Ji Tengfei Zhao Bin Jin YuefengLiu Zhao

The grooved couplings make the groove fittings with good sealing due to the special rubber sealing ring and design structure.In order to demonstrate the reliability of the structure of the groove couplings and stress distribution in the practical work，according to JB/T 4732—1995，the stress intensity of grooved couplings was experimented and analyzed.Through analysis，the results proved that the structure of groove coupling could meet the requirements of intensity under working pressure；the concentration area of stress was in the rounded corners of inner surface；the strength and reliability of coupling could be improved through the strengthening of that area.

The grooved coupling；Stress analysis；Grooved fittings；Strength；Sealing；Stress test

TQ 055.8

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.10.004

2016-02-22）

*紀(jì)騰飛，男，1986年生，助理工程師。西安市，710201。