一種新型工業(yè)管路密封接頭的設計與加工

介紹一種新型工業(yè)管路O形圈端面密封接頭的密封結(jié)構(gòu)、設計方法及加工成形工藝，并對其應用場景和適用范圍進行結(jié)論性闡述。01

序言工業(yè)管路系統(tǒng)中常見的有氯氣、氫氣、重油、蒸汽、堿、苯、乙炔氣、鹽酸、鹽水和水等管路。由于輸送的介質(zhì)具有高溫、高壓和腐蝕等特點，極易在管路聯(lián)接處造成水、汽（氣）和物料的跑、冒、滴、漏。接頭是管路系統(tǒng)的重要聯(lián)接裝置和薄弱部位，起到聯(lián)接和密封等作用。螺紋接頭是管道的主要聯(lián)接形式，接頭密封有錐面密封、球面密封、O形圈密封和螺紋密封等多種形式。O形密封圈由于結(jié)構(gòu)緊湊、密封性好以及使用壽命長等優(yōu)點，而被廣泛應用于工業(yè)系統(tǒng)中[4]。目前，國內(nèi)在高溫、高壓等特殊流體工況下，為保證高可靠性，管接頭使用進口件居多，本文基于國際品牌接頭使用經(jīng)驗，設計一種新型工業(yè)管路O形圈端面密封接頭，并以實際接頭零件案例進行設計和加工工藝分析。02

管路密封接頭常見失效類型（1）壓力失效一般高壓失效較多，具體體現(xiàn)在隨著壓力的上升，泄漏越來越凸顯，直至接頭發(fā)生變形、爆裂及崩出等安全事故。（2）密封結(jié)構(gòu)形式失效管路接頭與系統(tǒng)的介質(zhì)、管路通徑大小、工作壓力、安裝方便性及運維合理性等結(jié)構(gòu)使用場景不匹配，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性形式失效。（3）密封件失效密封圈、密封填料等損傷、破損以及型號規(guī)格錯誤等造成管路泄漏。（4）密封面失效密封面損傷、配合精度不足，在硬密封結(jié)構(gòu)形式中非常常見。03

失效原因分析分析失效原因如下。1）沒有根據(jù)管路系統(tǒng)的工作壓力、設計壓力等來合理選擇或設計匹配的密封接頭，管路未經(jīng)強度校核和通過耐壓測試就投入使用。2）密封結(jié)構(gòu)選擇不當，很容易造成泄漏失效。比如DN50以上的管路系統(tǒng)，就不適合使用O形圈端密封、卡套式密封接頭；φ6～φ10mm儀表管路就特別適合使用卡套式接頭；DN16～DN50的液、氣壓系統(tǒng)選擇錐密封、球密封接頭也很合理；當DN16～DN50的液、氣壓系統(tǒng)工作壓力為4～25MPa，介質(zhì)易燃易爆、有毒及高腐蝕時，必須使用高可靠密封接頭，如O形圈端面密封ORFS（O-RingFaceSeal）接頭。3）密封件的失效一方面是由于密封圈、填料等的材質(zhì)沒有根據(jù)管路介質(zhì)、工況溫度進行選型；另一方面是由于密封件的型號規(guī)格設計選型錯誤，導致密封件壓縮量不足。4）密封面失效一是由于加工精度、表面質(zhì)量不高造成的；二是由于安裝過程中沒有做好密封面保護，從而造成密封面磕碰性損傷。04

新型密封接頭的設計4.1

設計案例輸入新型密封接頭技術(shù)要求見表1。表1新型密封接頭技術(shù)要求4.2

設計分析設計要求和分析如下。1）工作壓力高，屬于超高壓工況，接頭承壓能力必須足夠，需要強度設計校核。2）介質(zhì)危險性高，接頭密封性能必須強，以防止氣體泄漏。3）介質(zhì)溫度和環(huán)境溫度方面，重點考慮低溫性能。由于天然氣中含有硫、水分和油分等雜質(zhì)，密封件要有良好的耐低溫和耐油性。4）管道通徑DN25，在20MPa高壓下，螺紋卡套式不建議使用。因為卡套對配套的管材外圓公差和脹套、裝配技術(shù)要求較高，安全風險大，所以國內(nèi)在φ16mm以上的高壓工業(yè)管路系統(tǒng)中基本不采用卡套式接頭。5）制定閥塊聯(lián)接為螺紋聯(lián)接，必須考慮密封性螺紋。6）要求安裝、運維方便，接頭宜采用活套連接，并且具有備品備件，互換性強。7）由于壓力高，介質(zhì)易燃易爆，設計要求管路系統(tǒng)具有高安全性和可靠性。實際操作中，接頭選型應考慮進口件。8）批量生產(chǎn)，供貨周期需要保證，成本需要控制。4.3

設計方案根據(jù)設計要求和分析，美國PARKER或德國EATON公司類似的ORFSO形圈端面密封接頭最適用于該管路系統(tǒng)，但是由于進口產(chǎn)品交付周期長、價格昂貴，因此設計一種國產(chǎn)化的新型自制接頭成為最可行的技術(shù)路線。通過實踐驗證，最終該接頭設計方案如圖1所示。工件材質(zhì)為30鋼，鍛件，長度55mm，公制螺紋M36×2mm，管螺紋1寸NPT。密封溝槽及配合偶件表面粗糙度要求較高，表面粗糙度值Ra＝1.6μm。密封槽外沿面要求75°的傾角，密封槽面的圓角R0.2mm，密封溝槽深度1.97mm。零件整體表面鍍彩鋅處理。其余表面的表面粗糙度值Ra要求為6.3μm。圖1接頭零件結(jié)構(gòu)4.4

設計方法與步驟（1）對標該接頭為非標自制接頭，沒有直接的國家標準選型庫，需要根據(jù)進口件選型手冊進行對標分析。新型密封接頭對標分析見表2。表2新型密封接頭對標分析（2）測量實際樣品測量，掌握基本尺寸，進行設計對比。（3）詳細設計依據(jù)國家標準、選型設計手冊等資料，依托CAD軟件進行詳細設計。（4）強度校核根據(jù)GB150和材料力學相關(guān)計算公式，計算材料最大應力，并查表校核強度。（5）出圖出樣件生產(chǎn)圖，供生產(chǎn)試制。05

工藝分析5.1

零件結(jié)構(gòu)工件為圓柱狀零件，軸向結(jié)構(gòu)對稱，結(jié)構(gòu)規(guī)則勻稱，φ22mm為通孔，無幾何精度要求。溝槽呈環(huán)形分布，表面精度要求較高，零件整體結(jié)構(gòu)規(guī)整，無復雜的異形曲面。5.2

零件材質(zhì)零件材質(zhì)為30鋼，坯料鍛造，具有良好的切削性能。材料具有一定的韌性，強度較好，適合結(jié)構(gòu)零件使用工況。5.3

零件精度要求1）零件無幾何精度要求，按設備自然公差處理。2）零件配合偶件表面粗糙度要求較高，密封溝槽面表面粗糙度值Ra均為1.6μm，螺紋咬合面表面粗糙度值Ra＝3.2μm，其余表面的表面粗糙度值Ra＝6.3μm，總體精度尚可。5.4

零件成形及工藝難點1）零件為環(huán)形對稱回轉(zhuǎn)型，通過零件圖樣尺寸、表面精度要求及工藝分析可知，零件加工易于控制，不需要特別的工裝來保證幾何精度，采用數(shù)控車床進行車削和鏜削即可滿足要求。2）零件的工藝難點在于密封溝槽的加工，配合偶件大圓φ30.58mm內(nèi)表面有15°的傾角，作用是防止密封圈脫落。溝槽內(nèi)外圓角R0.2mm以及溝槽內(nèi)表面的表面粗糙度值Ra＝1.6μm，需要精加工才能達到。溝槽深度較淺，為便于加工精度控制和提升加工效率，需要在雙刀具的保證下，高效地生產(chǎn)出合格的接頭零件。5.5

零件的夾緊坯料為鍛件，工件鍛打后，表面形狀不規(guī)則，不容易夾緊。由于在車削內(nèi)孔、端面等工序時，容易發(fā)生跳動，影響加工，因此需要在工件上車削夾位臺階，以保證同心。06

工藝方案根據(jù)以上分析，擬定零件加工工藝方案見表3。表3零件加工工藝方案零件批量加工實物如圖2所示。圖2零件批量加工實物07

測試及驗證（1）氣壓試驗試驗壓力為工作壓力的1.15倍，保壓30min管路系統(tǒng)無任何變形、泄漏。（2）耐壓試驗試驗壓力為設計壓力的1.5倍，保壓30min管路系統(tǒng)無任何變形、損傷和泄漏。新型密封接頭的實際應用案例如圖3所示。工業(yè)管路在實際使用過程中安全、可靠，被廣泛應用到工業(yè)管路系統(tǒng)中。圖3新型密封接頭的實際應用案例08

結(jié)束語本文介紹一種新型的工業(yè)管路密封接頭，采用O形圈端面密封結(jié)