卡壓式機(jī)械連接器的密封性能分析及安裝技術(shù)的應(yīng)用

劉添鋒

（福建省工業(yè)設(shè)備安裝有限公司, 福建三明 365000）

油氣輸送管網(wǎng)因?yàn)橥饬ζ茐?、自身材料老化或安裝質(zhì)量問題等因素的影響，不可避免會(huì)出現(xiàn)泄漏情況。以往的處理方式是先關(guān)閉泄漏點(diǎn)上游閥門，然后進(jìn)行補(bǔ)焊，封堵泄漏點(diǎn)。但是這種作業(yè)模式會(huì)導(dǎo)致油氣供應(yīng)的中斷，并且?guī)в幸欢ǖ陌参ｋ[患。近年來非焊接機(jī)械連接器在油氣輸送管道中得到推廣應(yīng)用，卡壓式機(jī)械連接器就是一種應(yīng)用較廣、效果良好的快速修復(fù)工具。修復(fù)后的密封性能是評(píng)價(jià)卡壓式機(jī)械連接器應(yīng)用效果的重要指標(biāo)，因此熟練掌握卡壓式機(jī)械連接器的安裝技術(shù)并在安裝后開展密封試驗(yàn)至關(guān)重要。

1 卡壓式機(jī)械連接器的密封原理與密封影響因素

1.1 密封原理

卡壓式機(jī)械連接器主要由壓力環(huán)、基體、密封壓緊環(huán)3 部分組成。連接器安裝時(shí)，提供一個(gè)外部的作用力使基體內(nèi)部的密封壓緊環(huán)在壓力作用下徑向收縮，進(jìn)而嵌入到壓緊環(huán)緊貼的管道表面，達(dá)到密封效果。根據(jù)其密封原理，可以看出要想保證密封效果，對(duì)密封圈的材質(zhì)、性能有特殊要求，首先要求密封圈金屬的墊片具有較強(qiáng)的壓縮變形能力，可以保證在受到外力作用后，能夠通過彈性變形壓貼在管道上；其次要求密封圈金屬具有較強(qiáng)的韌性和強(qiáng)度，防止在擠壓變形時(shí)出現(xiàn)開裂等問題，也是保證密封效果的重要因素；最后是擁有回彈能力，在日常檢修維護(hù)時(shí)，能夠反復(fù)拆卸、安裝，從而延長器件的使用壽命[1]。

1.2 影響密封性能的因素

結(jié)合卡壓式機(jī)械連接器的工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其泄漏問題主要分為2 種類型，即界面泄漏、滲透泄漏。為了深入地認(rèn)識(shí)影響機(jī)械連接器密封性能的因素，本研究設(shè)計(jì)了卡壓式機(jī)械連接器的泄漏模型，見圖1。

圖1 卡壓式機(jī)械連接器的泄露模型

該模型的體積泄漏率（L）、外漏間隙寬度（l）等因素有關(guān)，其表示式為：

式中：b 表示泄露間隙長度；p1和p2分別表示輸送管道內(nèi)部的輸送壓力、輸送管道泄漏間隙的外部壓力。由此可知，要想避免卡壓式機(jī)械連接器的泄露問題，可以施加一個(gè)更大的外部荷載，讓密封環(huán)與管道表面貼合的更加緊密，通過盡可能壓縮兩者之間的間隙達(dá)到杜絕泄露的目的。當(dāng)然，卡壓式機(jī)械連接器在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)密封不良的情況，可能是多種因素共同導(dǎo)致的。除了壓力不足、密封環(huán)或管道表面不夠光滑外，像密封壓緊環(huán)自身的金屬疲勞問題，或者是金屬擠壓面的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，以及環(huán)境溫度的變化等等，也都有可能影響機(jī)械連接器的密封性能。并且隨著器件使用年限的延長，密封性能下降也會(huì)更加明顯。

1.3 密封性能改善措施

為進(jìn)一步提高卡壓式機(jī)械連接器的密封性能，可采取以下幾種輔助措施：其一是在管道表面與機(jī)械連接器的密封環(huán)之間涂抹密封膠。由于表面材料存在一定的粗糙度，決定了密封環(huán)與管道表面不可能做到完美貼合，在高壓環(huán)境下介質(zhì)可能會(huì)從兩種材料之間的縫隙溢出。在接觸面上涂抹一層密封膠，可以充填到兩種材料之間的間隙中，對(duì)提升密封性能有顯著作用。目前使用的一種鐵錨604 液態(tài)密封膠，可以在高壓（10 Mpa）、高溫（600 ℃）環(huán)境下仍然保持性能穩(wěn)定，適合卡壓式機(jī)械連接器的密封處理要求[2]。其二是在密封壓緊環(huán)的表面包裹金屬片，密封壓緊環(huán)為了保證足夠的剛度，通常選擇硬質(zhì)金屬或合金，長期使用后容易出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。在密封壓緊環(huán)表面包覆一層耐磨蝕、耐高溫的金屬薄片（如鋁、鈦等），既可以保證密封壓緊環(huán)表面足夠光滑，阻斷泄露通道，同時(shí)又能延長其使用壽命。

2 卡壓式機(jī)械連接器的安裝技術(shù)

2.1 安裝過程

連接器兩側(cè)的管道需要完成預(yù)裝配，將壓力環(huán)分別套在需要對(duì)接的兩條管道的管口處，并使用定位環(huán)進(jìn)行定位。將管口對(duì)齊后，利用外部動(dòng)力源提供動(dòng)力，推動(dòng)壓力環(huán)由外向內(nèi)移動(dòng)，直到連接器兩側(cè)的壓力環(huán)碰撞、對(duì)接。繼續(xù)提供外部推動(dòng)力，防止壓力環(huán)分開；然后張開安裝工具，旋轉(zhuǎn)180°后使兩個(gè)壓力環(huán)咬合在一起，撤去安裝工具，即可完成兩條管道的機(jī)械連接。

2.2 安裝工具的選型

2.2.1 安裝工具的結(jié)構(gòu)形式

卡壓式機(jī)械連接器的安裝效果是決定密封性能的主要因素，并且由于該裝置處于高溫、復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行，給安裝也增加了難度。因此，在安裝作業(yè)時(shí)必須要借助于專門的工具，從而安全、快速、可靠地完成安裝。本研究結(jié)合卡壓式機(jī)械連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種安裝工具，滿足以下要求：可提供足夠大的加載力，保證在管道的日常維護(hù)或應(yīng)急維修時(shí)，能夠快速加載安裝連接器；可適應(yīng)一些特殊工況（如高溫），保證安裝作業(yè)的連續(xù)性；采用分開式結(jié)構(gòu)，方便快速組裝并投入工作狀態(tài)。從結(jié)構(gòu)組成上來看，該安裝工具的主要功能部分有2 個(gè)，即開合結(jié)構(gòu)與加載結(jié)構(gòu)。其中，開合結(jié)構(gòu)可以使該安裝工具張開一定角度（0°～180°），張開后能夠?qū)⒄麄€(gè)連接器包裹，閉合后即可鎖緊連接器，形成一個(gè)省力杠桿，為后續(xù)壓力環(huán)的對(duì)接提供良好條件[3]。加載結(jié)構(gòu)的作用是提供外部的推動(dòng)力，使位于兩個(gè)管道端口上的壓力環(huán)能夠順利對(duì)接、咬合。

2.2.2 安裝工具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

卡壓式機(jī)械連接器在安裝時(shí)，除了要克服壓力環(huán)移動(dòng)時(shí)的摩擦力外，還必須克服基體壓縮變形時(shí)的反作用力。因此要想保證機(jī)械連接器能夠成功連接并且保證密封良好，需要提供足夠大的加載力。為了確定加載力，設(shè)計(jì)了壓力機(jī)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 壓力機(jī)加載實(shí)驗(yàn)示意

搭建好試驗(yàn)裝置后，分別用上、下套筒夾住連接器，啟動(dòng)壓力機(jī)，開始進(jìn)行加載。試驗(yàn)人員密切關(guān)注壓力機(jī)表盤示數(shù)，持續(xù)增加壓力，直到卡壓式機(jī)械連接器能夠完成安裝，記錄下此時(shí)的壓力表示數(shù)，即為最大加載力。在實(shí)際安裝中，除了施加足夠大的外部加載力外，還必須考慮活塞桿的承受能力，避免加載力超過活塞桿的受力極限而出現(xiàn)桿體斷裂的情況。本次試驗(yàn)中所用的活塞桿材料為20CrMnTi，強(qiáng)度極限超過1 000 Mpa，屈服極限達(dá)到820 Mpa，完全能夠滿足試驗(yàn)需要。

2.3 安裝工具的液壓動(dòng)力源

液壓系統(tǒng)是壓力機(jī)加載力的動(dòng)力來源，其核心裝置為液壓泵，可以通過機(jī)械做功的方式產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，從而在液壓油的作用下推動(dòng)液壓元件做功，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出。液壓動(dòng)力源的回路設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 液壓系統(tǒng)原理

結(jié)合圖3，液壓動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)作方式為：系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行后，液壓泵加壓并達(dá)到設(shè)定的壓力值后，打開閥門，在強(qiáng)大的壓力推動(dòng)下液壓油涌入換向閥，經(jīng)換向閥流出進(jìn)入到節(jié)流閥。在節(jié)流閥處調(diào)控液壓油的流量，并通過多發(fā)閥門口進(jìn)入到對(duì)應(yīng)的液壓缸中。完成供能后的液壓油進(jìn)入到回油路，并通過兩位兩通換向閥從另一側(cè)流回油箱內(nèi)。在液壓系統(tǒng)運(yùn)行期間，壓力表會(huì)實(shí)時(shí)采集該系統(tǒng)的壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)出現(xiàn)過載情況后，利用溢流閥排出部分液壓油從而達(dá)到降壓效果。在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注以下兩項(xiàng)參數(shù)：其一是液壓泵的工作壓力，要求最大工作壓力值PMax不得低于液壓執(zhí)行元件的最大工作壓力P 和進(jìn)油路上總壓力損失P0，即：

對(duì)于管路比較簡(jiǎn)單、流速較小的情況，∑P0通常可以取1.0～1.2 Mpa；該試驗(yàn)中P 為30 Mpa，故液壓泵的最大工作壓力不得低于31.2 Mpa，考慮到實(shí)際運(yùn)行中還會(huì)存在管壁摩擦阻力，以及加載力波動(dòng)變化等因素的影響，需要留出一部分裕量，因此最終確定PMax為32 Mpa。其二是液壓泵的最大供油量QMax，該值主要與液壓泵本身的最大流量（Q1）和液壓系統(tǒng)的泄露系數(shù)（β）有關(guān)，其關(guān)系式為：

這里的β 取1.2，該系統(tǒng)中液壓泵的最大流量為2.8 L/min，故最大供油量不得低于2.8×1.2=3.36 L/min?；谏鲜鲇?jì)算，最終選擇了A7V28 型軸向柱塞泵，其性能參數(shù)見表1，可以滿足卡壓式機(jī)械連接器安裝的需要。

表1 A7V28 型液壓泵的基本參數(shù)

3 卡壓式機(jī)械連接器安裝后的氣密性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

使用上述安裝工具完成卡壓式機(jī)械連接器的安裝后，還要檢驗(yàn)連接器的密封性能是否達(dá)標(biāo)。為此，本研究設(shè)計(jì)了一項(xiàng)氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置主要包括高壓氮?dú)馄?、氮?dú)鉁p壓閥（可調(diào)范圍0～10 Mpa）以及壓力表等[4]，整個(gè)裝置的組成見圖4。

圖4 氣密性試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)開始后，首先按照上圖所示將各臺(tái)設(shè)備連接起來，完成組裝后調(diào)節(jié)壓力表，設(shè)定壓力參數(shù)為0.4 Mpa 后啟動(dòng)設(shè)備并充入高壓氮?dú)?，此時(shí)裝置壓力開始上升，達(dá)到0.4 Mpa 后停止。保持此壓力不變，使用毛刷蘸取少量肥皂水，分別涂刷該裝置的各個(gè)管口，觀察有無氣泡，如果有說明氣密性差；無氣體泄漏情況，繼續(xù)升壓，每次升高0.4 Mpa。每升高一級(jí)壓力，涂刷一遍肥皂水并檢查氣密性，重復(fù)此操作直到壓力達(dá)到4.0 Mpa[5]。最后緩慢卸壓，拆除試驗(yàn)裝置。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本次氣密性試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表2。結(jié)合上表信息可知，在10 個(gè)試驗(yàn)壓力等級(jí)下，均未出現(xiàn)壓力下降和氣體泄露的情況，并且連接器與管道之間的相對(duì)位移均不超過要求的0.1 mm，說明卡壓式連接器安裝運(yùn)行后，在運(yùn)行壓力不超過4.0 MPa 的情況下密封效果良好。

表2 氣密性試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

密封性能是評(píng)價(jià)卡壓式機(jī)械連接器應(yīng)用效果的核心指標(biāo)，但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境特殊，在安裝期間經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量瑕疵，進(jìn)而影響密封效果。根據(jù)以往的設(shè)備維護(hù)與檢修經(jīng)驗(yàn)，密封壓緊環(huán)疲勞、材料應(yīng)力松弛等是導(dǎo)致密封失效的常見原因?；诖?，在卡壓式機(jī)械連接器的安裝中，一方面要挑選符合安裝要求的材料、器件，另一方面又要選擇合適的安裝工具、熟練掌握安裝技術(shù)。本研究設(shè)計(jì)的一種由液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，推動(dòng)兩側(cè)壓緊環(huán)對(duì)接咬合，從而實(shí)現(xiàn)管道連接的卡壓式機(jī)械連接器，經(jīng)過密封性能試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)系統(tǒng)壓力在4.0 Mpa范圍內(nèi)，可保證良好的密封效果，能夠滿足管道連接與運(yùn)行的需要。