非焊接式鋼管的優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹

摘 要：本文介紹了目前市面上常用的非焊接式鋼管的結(jié)構(gòu)形式，分析了現(xiàn)有的非焊接式鋼管技術(shù)的原理及優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了改進(jìn)方案和新的非焊接式鋼管結(jié)構(gòu)。通過改進(jìn)方案和新的非焊接式鋼管結(jié)構(gòu)可以使非焊接式鋼管結(jié)構(gòu)更可靠，成本也低。

關(guān)鍵詞：非焊接；優(yōu)化設(shè)計(jì)；可靠；壽命長

1 前言

隨 著環(huán)保意識(shí)的提高，環(huán)保型非焊接鋼管的需求也在增加。這種鋼管在制造、運(yùn)輸和處理過程中，對(duì)環(huán)境的污染較小，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。加之工業(yè)4.0的發(fā)展，非焊接鋼管的生產(chǎn)過程將越來越依賴于高度機(jī)械化和自動(dòng)化處理。這將要求鋼管制造商提供更高可靠性、更高品質(zhì)的產(chǎn)品，以滿足復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)行需求。非焊接鋼管的安裝和拆卸方便，不需要專業(yè)的焊接技能，可以減少安裝時(shí)間和手工操作，同時(shí)也不會(huì)損壞鋼管。這使得非焊接鋼管在空間狹小或者需要頻繁更換、維修的場所具有很大的優(yōu)勢。非焊接鋼管制造業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也將為鋼管的應(yīng)用領(lǐng)域帶來更廣闊的市場空間。

2常見的非焊接鋼管形式

常用的鋼管安裝方式主要分為鋼管接頭連接和法蘭連接形式，其中小規(guī)格鋼管（外徑42及以下鋼管）多用接頭連接形式，大規(guī)格鋼管（外徑42以上鋼管）多采用法蘭連接形式。

2.1鋼管接頭形式

國際硬管接頭標(biāo)準(zhǔn)主要有下列幾個(gè)：ISO8434-1、ISO8434-2、ISO8434-3、ISO8434-4。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式分別從左到右分別對(duì)應(yīng)下面幾種結(jié)構(gòu)形式。

針對(duì)上述四種標(biāo)準(zhǔn)的硬管接頭連接形式，市面上相對(duì)可靠的非焊接結(jié)構(gòu)形式主要有以下四類：

①EO結(jié)構(gòu)

EO結(jié)構(gòu)由接頭體、漸進(jìn)式卡套（DIN 3861-2002/GBT 3764-2008）、螺母、鋼管等組成，具體詳見圖2。

EO卡套的密封原理是通過卡套前端的刃口切入鋼管形成密封。

此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要過多的設(shè)備對(duì)鋼管進(jìn)行成型加工。

缺點(diǎn)就是此種結(jié)構(gòu)對(duì)安裝人員要求較高，如若沒有控制好力度，鋼管被切刃口可能較深，鋼管長時(shí)間使用易斷裂。另外，此種結(jié)構(gòu)防拔脫性較差，多次拆裝卡套鋼管密封容易失效。現(xiàn)慢慢被淘汰。

②EO2結(jié)構(gòu)

EO2結(jié)構(gòu)由接頭體、漸進(jìn)式卡套（DIN 3861-2002/GBT 3764-2008）、密封體、螺母、鋼管等組成，具體詳見圖3。

EO2卡套的密封原理是通過組合卡套前端的彈性橡膠唇、鋼管及接頭間進(jìn)行密封。

此種結(jié)構(gòu)卡套可采用預(yù)裝機(jī)來預(yù)裝，大大降低了安裝難度，提高鋼管的可靠性。但是由于卡套切入鋼管，長時(shí)間使用存在鋼管斷裂風(fēng)險(xiǎn)。此外，此種結(jié)構(gòu)防拔脫性也較差，多次拆裝卡套及密封易損壞而出現(xiàn)漏油，應(yīng)用場合相對(duì)較少。

③EO2-FORM結(jié)構(gòu)

EO2-FORM結(jié)構(gòu)由接頭體、帶骨架的密封件、螺母、鋼管等組成，具體詳見圖4。

EO2-FORM結(jié)構(gòu)的密封原理是通過帶骨架的密封件、鋼管擠壓臺(tái)階及接頭來密封。

此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是耐高壓，沖擊和振動(dòng)；對(duì)裝配的技術(shù)要求低，密封可靠性好；可重復(fù)裝拆，壽命長；密封損壞可修復(fù)－更換密封圈；防拔脫。目前來說，是主流的方案。

缺點(diǎn)是鋼管被擠壓出的臺(tái)階跟螺母接觸位置處圓角較小，應(yīng)力較為集中。長時(shí)間使用，該位置處容易出現(xiàn)裂縫。

④WAL FORM結(jié)構(gòu)

WAL FORM結(jié)構(gòu)由接頭體、密封體、螺母、鋼管等組成，具體詳見圖5。

WAL FORM結(jié)構(gòu)的密封原理是通過密封件、鋼管擠壓臺(tái)階及接頭來密封。

此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是耐高壓，沖擊和振動(dòng)；對(duì)裝配的技術(shù)要求低，密封可靠性好；可重復(fù)裝拆，壽命長；密封損壞可修復(fù)－更換密封圈；防拔脫。目前來說，也是主流的方案。

缺點(diǎn)是相近規(guī)格鋼管密封件容易混裝；鋼管被擠壓出的臺(tái)階跟螺母接觸位置處圓角較小，應(yīng)力較為集中，長時(shí)間使用，該位置處容易出現(xiàn)裂縫。

2.2法蘭形式

國際法蘭標(biāo)準(zhǔn)主要有下列幾個(gè)：SAE1000、SAE3000、SAE6000、ISO6162、ISO6164等。目前針對(duì)這些法蘭標(biāo)準(zhǔn)。有兩種比較常用的法蘭式非焊接鋼管成型方式：

①37°擴(kuò)口式法蘭連接

37°擴(kuò)口式法蘭連接是由一對(duì)法蘭壓板（或一個(gè)法蘭壓板+安裝平面），遵循SAE J518或ISO 6162標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)口法蘭頭（或稱為錐套、法蘭內(nèi)芯）、擴(kuò)口鋼管、密封圈（如F37密封圈、O形圈、組合墊等）以及螺栓、螺母、彈簧墊圈等組成。如下圖所示：

37°擴(kuò)口結(jié)構(gòu)的密封原理是通過法蘭內(nèi)芯端面的密封件和坡口密封件進(jìn)行密封。

此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是耐高壓，沖擊和振動(dòng)；對(duì)裝配的技術(shù)要求低，密封可靠性好；可重復(fù)裝拆，壽命長；密封損壞可修復(fù)－更換密封圈；可直接對(duì)接膠管法蘭等。目前66×8.5及以下規(guī)格鋼管多采用此結(jié)構(gòu)。

缺點(diǎn)就是大規(guī)格大壁厚鋼管擴(kuò)口難度大，對(duì)設(shè)備要求高。

②保持環(huán)結(jié)構(gòu)

保持環(huán)結(jié)構(gòu)由法蘭、保持環(huán)、組合墊圈、鋼管、螺釘和螺母等組成，具體詳見下圖。

保持環(huán)結(jié)構(gòu)的密封原理是通過鋼管端面的組合墊圈密封。

此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，耐高壓，沖擊和振動(dòng)；加工難度小，對(duì)裝配的技術(shù)要求低，密封可靠性好；可重復(fù)裝拆，壽命長；密封損壞可修復(fù)－更換密封圈。應(yīng)用場景較多。

缺點(diǎn)就是鋼管外壁需要加工一個(gè)較深的的溝槽用來固定保持環(huán)，此溝槽一定程度削弱了鋼管；此溝槽長期跟保持環(huán)接觸，溝槽處應(yīng)力相對(duì)集中；如果溝槽加工的精度不夠，微觀裂紋更會(huì)加速鋼管的滲漏或斷裂，進(jìn)而降低了鋼管的使用壽命。

3非焊接式鋼管優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)上述硬管接頭連接和法蘭連接形式中存在的缺陷，現(xiàn)提出了兩類優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.1 EO2-FORM和WAL FORM形式優(yōu)化改型

目前市面上主流的硬管接頭連接形式為EO2-FORM和WAL FORM。鋼管是通過彎管設(shè)備成型，此兩種結(jié)構(gòu)都很難避免出現(xiàn)下列問題：

1.鋼管成型臺(tái)階處的圓角較小，該圓角處應(yīng)力較為集中；2.螺母與圓角接觸沒有做圓角過渡，較尖的螺母會(huì)直接壓在圓角處；3.鋼管與螺母之間存在間隙，鋼管存在沖擊時(shí)，沖擊力會(huì)通過類似杠桿原理作用在圓角處。時(shí)間一長，該圓角處容易開裂進(jìn)而出現(xiàn)漏油的情況（如圖8所示）。

針對(duì)上述問題，現(xiàn)提出了下列優(yōu)化方案：

新的優(yōu)化結(jié)構(gòu)由接頭體、螺母、彈性體以及鋼管組成。彈性體一端頂住鋼管成型臺(tái)階，彈性體跟鋼管臺(tái)階接觸位置設(shè)有圓角； 彈性體另一端與鋼管外壁配合，間隙較??；螺母通過斜面跟彈性體配合。相關(guān)結(jié)構(gòu)有兩種，具體如下：

采用上述結(jié)構(gòu)有下列好處：

（1）彈性體一端既可以頂住鋼管臺(tái)階面實(shí)現(xiàn)固定功能，接觸面圓角有效地避開了鋼管成型臺(tái)階處較小的圓角；另一端通過跟鋼管之間的較小間隙配合，當(dāng)鋼管受到徑向彎曲力時(shí)可以有效地將彎曲的受力點(diǎn)傳遞至鋼管遠(yuǎn)離鋼管臺(tái)階圓角。

（2） 彈性體和螺母通過斜面接觸，有效地將螺母的受力點(diǎn)傳遞到彈性體，并且遠(yuǎn)離鋼管臺(tái)階圓角處，進(jìn)而降低鋼管斷裂的可能性。

（3）彈性體本身具備一定強(qiáng)度，在與鋼管接觸端通過切口的方式（如圖9右一）提高彈性體的形變能力，進(jìn)而將彈性體牢牢抱緊在鋼管上，進(jìn)一步提高鋼管的使用壽命。

由上述結(jié)構(gòu)方案，還可以延伸出另一種優(yōu)化方案。通過加長螺母和減少螺母與鋼管的間隙，有效地將鋼管受力點(diǎn)轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)離鋼管臺(tái)階圓角，進(jìn)而提高鋼管的使用壽命。（結(jié)構(gòu)可參見圖10）

3.2 新型的螺紋連接式法蘭結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有保持環(huán)結(jié)構(gòu)，鋼管外壁處需要加工一個(gè)較深的溝槽用于放置保持環(huán)，這樣極大地削弱了鋼管的壁厚尺寸。在鋼管使用過程中，鋼管承受的剪切力將通過保持環(huán)傳到溝槽處，造成溝槽處（即鋼管壁厚最薄的地方）應(yīng)力比較集中。此外，如果溝槽加工的精度不夠，微觀裂紋更會(huì)加速鋼管的滲漏或斷裂，進(jìn)而降低了鋼管的使用壽命。

為解決上述技術(shù)問題，現(xiàn)提供了一種新型的螺紋連接式法蘭結(jié)構(gòu)，包括鋼管本體和法蘭。法蘭和鋼管通過螺紋連接，法蘭圓周設(shè)有螺釘孔，通過螺釘最終將鋼管和法蘭固定。鋼管端面通過組合墊圈進(jìn)行密封，相關(guān)示意圖如下：

通過在鋼管端部的外壁設(shè)置外螺紋和外結(jié)合面，法蘭內(nèi)壁設(shè)置內(nèi)螺紋與內(nèi)結(jié)合面，法蘭與鋼管相連時(shí)，將法蘭套在鋼管端部，使內(nèi)結(jié)合面穿過外螺紋，此時(shí)法蘭的內(nèi)螺紋與鋼管端部的外螺紋螺紋連接，且法蘭通孔內(nèi)的內(nèi)結(jié)合面與鋼管端部的外結(jié)合面滑動(dòng)接觸，實(shí)現(xiàn)鋼管與法蘭之間的固定；一方面，由于鋼管上外螺紋的螺紋加工深度一般為1～2mm，對(duì)比在鋼管上加工保持環(huán)溝槽的深度更淺，即對(duì)鋼管的壁厚尺寸削弱較少，減少了對(duì)鋼管強(qiáng)度的削弱；另一方面，鋼管上的螺紋連接面對(duì)比保持環(huán)與鋼管之間的接觸面更大，受力更均勻，能夠有效地避免應(yīng)力集中，幫助延長鋼管的使用壽命；此外，在鋼管受到外力作用時(shí)，法蘭的內(nèi)結(jié)合面與鋼管的外結(jié)合面之間承受了一部分剪切力，可減少內(nèi)螺紋與外螺紋之間的受力，避免內(nèi)螺紋與外螺紋過快磨損或出現(xiàn)裂紋，法蘭與鋼管本體之間的連接更加安全可靠。

針對(duì)此螺紋法蘭結(jié)構(gòu)，可以延伸出更多的結(jié)構(gòu)，如下圖：

4優(yōu)化改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)效果

針對(duì)壓機(jī)上一根25×3（EO2-FORM）使用一年出現(xiàn)鋼管成型臺(tái)階圓角處斷裂漏油問題，采用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)（如圖9左一），使用3年未出現(xiàn)問題，現(xiàn)一直在使用中。

針對(duì)壓機(jī)上一處66×8.5（保持環(huán)結(jié)構(gòu)）使用一年出現(xiàn)鋼管溝槽位置處斷裂漏油問題，采用改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)（如圖12左一），使用3年未出現(xiàn)問題，現(xiàn)一直在使用。并且該結(jié)構(gòu)成本相比保持環(huán)結(jié)構(gòu)下降50%。

5 結(jié)語

本文針對(duì)常用的非焊接鋼管的接頭連接和法蘭連接形式，通過分析現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上存在的不足，分別有針對(duì)性地提出了不同的優(yōu)化方案。在保證原有結(jié)構(gòu)可制造性的前提下，讓非焊接式鋼管結(jié)構(gòu)更可靠，使用壽命更長，成本也相應(yīng)更低。

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