管系密性工裝的研究及應用

許立新，張翼飛，張 輝，朱 慶

(滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129)

在水力、石化、生產(chǎn)生活及其他工業(yè)裝置中，在制造和安裝過程中需要對負責運輸流體的管系焊接質(zhì)量和安裝質(zhì)量進行密性檢驗，保證其在正常工作時避免發(fā)生泄漏事故。密性檢驗的介質(zhì)一般為水或氣體[1]。管子之間的連接方式主要分為法蘭連接和套管連接，管子端頭為法蘭形式的，其密性工裝方便制作，管子端頭為套管形式的，至今現(xiàn)場沒有合適的工裝。以船舶管系為例，端頭為套管形式的管子在做密性試驗時，現(xiàn)場施工的通常操作方法(見圖1)如下：先在管子端頭焊接一塊鐵悶板，在悶板上焊接一個皮管接頭；然后通入壓縮空氣或水來檢查管子的焊接質(zhì)量和安裝質(zhì)量。

圖1 傳統(tǒng)操作方法

上述操作方法有如下缺點：1)焊接鐵悶板時，破壞了管子端頭的鍍鋅層或油漆保護，造成了后續(xù)安裝的質(zhì)量隱患；2)操作時，較費工時和成本，工人需要切割和焊接鐵悶板，據(jù)統(tǒng)計1艘10萬載重噸的船舶從開始到結(jié)束需要密封4 000多個管子端頭，每個端頭工裝切割、焊接和打磨等需要1個工時，全船需要4 000多個工時；3)分段總組和搭載時，需要切割掉鐵悶板，并打磨光順，同樣較費工時和成本，同時影響了后續(xù)的質(zhì)量管控。

為了提高工作效率和管子安裝質(zhì)量，筆者與現(xiàn)場工人進行了一系列的探究，先理論推演，后試制應用，并逐步改善，試制出3種不同種類的工裝件，為現(xiàn)場管子密性工作提供了較為實用和便捷的工藝方法。

本文介紹了3種管子密性工裝件的試制和逐步改進的情況，并從經(jīng)濟性角度分析密性工裝的經(jīng)濟效益。

1 密封原理和泄漏形式

1.1 密封原理

如果密封面完全光滑、平行，并有足夠的剛度，可以依靠緊固件夾持在一起，無須墊片，可達到密封的目的(即無墊密封)。但實際情況如下：密封面存在粗糙度；密封面不絕對平行；密封面的剛度不是無限大；各緊固件剛度不同和分散排列，造成密封面載荷在圓周方向上不均勻等。為了彌補不均勻的載荷和相應的變形等問題，在兩連接件密封面間放入一墊片，使之適應密封面的不規(guī)則性。密封的本質(zhì)就是利用墊片形成物理壁壘以阻止介質(zhì)的流動，使泄漏阻力大于泄漏介質(zhì)的推動力，防止泄漏的發(fā)生[2]。通過壓緊墊片使其產(chǎn)生塑性變形，填平法蘭密封面的微小凹凸不平，以實現(xiàn)密封(見圖2)。

圖2 墊片壓緊前后

1.2 泄漏形式

泄漏是指介質(zhì)從有限空間內(nèi)部流動到外部或從外部進入有限空間內(nèi)部[3]。泄漏的基本條件如下：接觸面上存在間隙，接觸面兩側(cè)的壓力差、濃度差等是泄漏的推動力。就墊片密封而言，通常密封流體在墊片結(jié)合處的泄漏有如下3種情況(見圖3)。

1)界面泄漏。從機械加工的微觀紋理來看，密封面存在粗糙度和變形的問題，它們與墊片之間總是存在泄漏通道，由此產(chǎn)生的流體泄漏稱為界面泄漏。

2)滲透泄漏。對非金屬材質(zhì)的一類墊片而言，從材料的微觀結(jié)構(gòu)來看，本身存在的微小縫隙或細微的毛細管，具有一定壓力的流體自然容易通過它們滲漏出來。

3)密封面分離和吹出泄漏。當夾緊墊片的總載荷因各種原因減少到幾乎等于作用在接頭端部的流體靜壓力時，就導致了密封面的分離，此時若增加流體壓力，則對于機械完整性很差的墊片，如操作期間材料發(fā)生劣化的墊片，沿墊片徑向作用的流體壓力就會將其撕裂，引起密封流體的大量泄放，此被稱為吹出泄漏，它屬于一種事故性泄漏。

圖3 泄漏的3種形式

根據(jù)上述平墊片密封原理及泄漏形式，當泄漏阻力大于吹出力時(見圖4)，即可保證密封[4]，公式表達如下：

2μσgπ(Di+b)b>PiπDit

(1)

式中，Di是墊片內(nèi)直徑，單位為mm；b是接觸面的寬度，單位為mm；t是墊片厚度，單位為mm；σg是墊片應力，單位為MPa；Pi是密封介質(zhì)壓力，單位為MPa；μ是墊片與法蘭密封面間的摩擦因數(shù)，一般取值0.05～0.5。

圖4 泄漏阻力與吹出力

2 3種管子密性工裝的研制

2.1 第1種管子密性工裝件——螺栓法蘭式

螺栓法蘭式密性工裝是應用密封的原理進行端面密封，即在管子端頭加1個法蘭套，法蘭套用2對螺栓固定在管子端頭，再用盲法蘭和橡膠墊片對管子進行密封。

根據(jù)上述理論及式1，設(shè)計了第1種管子密性工裝。這種管子密封工裝由固定環(huán)和密性法蘭及其他附件組成(見圖5～圖7)，固定環(huán)上設(shè)置4組固定螺栓，用于把該管系密性工裝固定在管子上；密性法蘭內(nèi)側(cè)設(shè)置密性槽，并在槽內(nèi)設(shè)置若干道法蘭密封溝槽，且密封槽內(nèi)設(shè)有橡膠墊片。

圖5 第1種管子密性工裝件結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 固定環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 密性法蘭的結(jié)構(gòu)示意圖

做管子密性試驗時，由固定環(huán)上的4組固定螺栓將該管系密性工裝固定在管子端頭，管子末端鑲進密性法蘭的密封槽內(nèi)，再用4組螺栓將密性法蘭和固定環(huán)緊固在一起，此時，密封槽的橡膠墊片被壓進若干道法蘭密封溝槽內(nèi)，以保證管系密性試驗時管子的密封狀態(tài)。

實物樣品圖如圖8所示。螺栓法蘭式密性工裝的優(yōu)點是不破壞管子端頭，保證了管子端頭鍍鋅層或油漆的質(zhì)量。該工裝的使用范圍為不同管徑、低壓介質(zhì)管子密性檢驗。

圖8 螺栓法蘭式密性工裝

2.2 第2種管子密性工裝件——套管式

在第1種管子密性工裝件的基礎(chǔ)上，嘗試將工裝件套在管子外面，將端面密封改為圓周密封，即將法蘭套改為套管。

根據(jù)密封原理，如果套管橡膠的壓縮作用力(即泄漏阻力)大于吹出力，即可保證密封[5]，公式表達如下：

(2)

同時，套管橡膠與管子外壁的摩擦力大于管子內(nèi)部流體作用于端部的壓力，以保證工裝件的牢靠固定，公式表達如下：

(3)

式中，D是管子外直徑，單位為mm；a是接觸面的圓周長度，單位為mm；b是接觸面的寬度，單位為mm；f是套管橡膠的變形量，單位為mm；h是套管橡膠的厚度，單位為mm；Ea是套管橡膠的表觀彈性模量，單位為MPa；Pi是密封介質(zhì)壓力，單位為MPa；μ是套管橡膠與管子外壁密封面間的摩擦因數(shù)，一般取值0.05～0.5。

根據(jù)上述理論，設(shè)計了第2種管子密性工裝，該工裝件由套管、連接管和皮管接頭三部分組成(見圖9)。

圖9 第2種管子密性工裝件結(jié)構(gòu)示意圖

這種套管形式的管子密性工裝件由套管將密性管子和連接管連接成一體，緊固螺栓時，緊固圓柱就會帶動緊固罩體和上護罩將橡膠套的直徑縮小，緊緊地箍住做密性的管子和連接管，以保證管系密性試驗時管子的密封狀態(tài)。實物樣品圖如圖10所示。

圖10 套管式密性工裝

經(jīng)過試驗可知，套管密性最大承受壓力>2.0 MPa，而現(xiàn)場常規(guī)壓力約為1 MPa，完全可以保證密封。

該工裝件具有如下優(yōu)點：1)不會破壞管子端頭，保證了管子端頭質(zhì)量；2)操作方便，節(jié)約工時和成本。該工裝的使用范圍為中等及以下管徑，中低壓介質(zhì)管子密性，其只能應用于端頭為套管形式的管子密性，不能應用于法蘭形式。

2.3 第3種管子密性工裝件——內(nèi)置橡膠式

套管式密性工裝的本質(zhì)是利用密封原理進行圓周密封，通過擠壓套管與管子之間的橡膠，形成一個密封圈，從而達到密封的效果。在管子的外面擠壓橡膠，可以形成一個密封圈，同理在管子的內(nèi)部也可以形成一個密封圈，解決了套管式密性工裝只能適用于管子端頭為套管形式的問題。

第3種管子密性工裝件的理論模型由進氣管、前后擋板、緊固螺栓和密封橡膠體等組成，扭緊螺栓產(chǎn)生軸向夾緊力，從而使橡膠體縱向壓縮，根據(jù)橡膠在壓縮前、后密度不變的工程技術(shù)理論，橡膠體產(chǎn)生了橫向變形，橫向變形的橡膠體壓緊在管子的內(nèi)壁和緊固螺栓上，由此產(chǎn)生的橫向壓縮作用力(即泄漏阻力)大于管子內(nèi)部介質(zhì)的吹出力時，即可保證密封。為確保密封，需對橡膠體的壓縮作用力、摩擦力及螺栓軸向夾緊力進行分析研究。

2.3.1 橡膠體的壓縮作用力

根據(jù)機械原理和密封原理，如果密封橡膠體的壓縮作用力(即泄漏阻力)大于吹出力，即可保證密封，表達公式如下：

(4)

式中，a是橡膠體的圓周長度，單位為mm；b是橡膠體的寬度，單位為mm；f是橡膠體的變形量，單位為mm；h是橡膠體的自由高度，單位為mm；Ea是橡膠體的表觀彈性模量，單位為MPa。

由于制作時，橡膠體與密性管子之間是過盈配合，為了簡化計算，橡膠體縱向的壓縮作用力約等于橡膠體橫向的作用力，同時應保證橡膠與管子內(nèi)壁的摩擦力大于管子內(nèi)部流體壓力，即：

(5)

式中，Di是管子內(nèi)徑，單位為mm；Pi是管子內(nèi)介質(zhì)壓力，單位為MPa；μ是墊片與法蘭密封面間的摩擦因數(shù)，一般取值0.05～0.5。橡膠體從自由狀態(tài)被壓縮至H高度所需要的作用力如式6[6]：

(6)

式中，A是橡膠體的中心直徑，單位為mm；b是橡膠體的寬度，單位為mm；d是橡膠體的自由高度，單位為mm；h是橡膠體的變量高度，單位為mm；Eah是橡膠體的表觀彈性模量，單位為MPa；μ是內(nèi)置橡膠體與管子內(nèi)壁密封面間的摩擦因數(shù)，一般取值0.05～0.5。

橡膠體的壓縮作用力等于螺栓的軸向夾緊力，即F壓=F軸。

2.3.2 螺栓的軸向夾緊力[7]

螺栓的軸向夾緊力是由施加給螺栓的擰緊力矩產(chǎn)生的，螺栓扭緊力矩與軸向夾緊力理論表達式如下：

(7)

可簡化成：

(8)

可進一步簡化成：

M=F軸d(k1+k2+k3)=F軸dk

(9)

(10)

式中，d2是螺紋中徑，單位為mm；d是螺紋公稱直徑，單位為mm；λ是螺紋升角；t是螺距；ρ是螺旋副的當量摩擦角；β是螺紋半角；R是螺母承力面外半徑；r是螺母承力面內(nèi)半徑；b是橡膠體的寬度，單位為mm；d是橡膠體的自由高度，單位為mm；h是橡膠體的變量高度，單位為mm；Eah是橡膠體的表觀彈性模量，單位為MPa；μ是扭緊螺母時接頭的摩擦因數(shù)，一般取值0.05～0.5；k是螺栓扭緊力矩系數(shù)。通常情況下，k1≈50%k,k2≈10%k,k3≈40%k，即在施加的全部擰緊力矩中，約10%的擰緊力矩用于產(chǎn)生螺栓軸向夾緊力，約40%的擰緊力矩用于克服螺旋副間摩擦力矩，約50%的擰緊力矩用于克服螺母與支承面間的摩擦力矩。

2.3.3 工裝件的結(jié)構(gòu)和實物

根據(jù)上述理論，設(shè)計了第3種管子密性工裝，該工裝件由進氣管、前后擋板、緊固螺栓和密封橡膠體等組成(見圖11)，實物樣品圖如圖12所示。

圖11 內(nèi)置橡膠式工裝

圖12 實物樣品圖

當擰緊緊固螺栓時，前后擋板將密封橡膠體夾緊，橡膠體膨脹，在管子內(nèi)側(cè)和橡膠體之間形成密封圈，從而達到密封的效果。

該密性工裝對比原有工裝具有如下優(yōu)點：1)使用范圍廣，不僅適用于套管管系，而且適用于法蘭連接的管系；2)操作更為方便，只需用扳手擰緊1個螺栓即可；3)更為經(jīng)濟，制作成本低。

3 經(jīng)濟性分析

實用的工裝是提高生產(chǎn)效率和效益的利器。本文從節(jié)省工時成本和提高效率的角度，對密性工裝進行經(jīng)濟性分析。暫且不計原有方法會使管子端頭損壞的情況，比較無工裝狀態(tài)和使用內(nèi)置橡膠式密性工裝時所需要的工時費用和耗材費用。

1)無工裝狀態(tài)。按照滬東中華造船(集團)有限公司建造的散貨船、集裝箱船、化學品船及LNG船等，據(jù)統(tǒng)計1艘10萬載重噸的船舶從開始到結(jié)束需要密封4 000多個管子端頭，每個端頭工裝切割、焊接和打磨等需要1個工時，全船需要4 000多個工時，同時需要消耗焊材和動能。

2)新工裝狀態(tài)。做管子密性時，密封20個管子端頭只需要1個工時，全船累計200個工時，不需要消耗焊條和動能，同時保護了管子端頭不被破壞。

根據(jù)現(xiàn)有的船舶生產(chǎn)工時定額計算模型估算[8]，1個工時的費用暫以30元計，焊材和動能等按工時費用的2倍估算，工時和費用比較見表1。

表1 費用比較表 (萬元)

按無工裝狀態(tài)計算，1艘10萬載重噸的船需要花費約35萬元，而使用新工裝時需要花費0.6萬元。按本公司1年制造20條類似船舶統(tǒng)計，使用內(nèi)置橡膠式管子密性工裝1年可節(jié)約700萬元。

我國現(xiàn)在已經(jīng)是造船大國，數(shù)量和噸位居世界第一，每年的造船完工量約為4 000多萬載重噸，雖然船型有各種差別，但基本船舶系統(tǒng)所需的管子種類及作用相差并不大，推廣使用管子密性工裝，對提高建造質(zhì)量和降低成本有著積極的意義。

4 結(jié)語

實用的工裝可以提高產(chǎn)品制作質(zhì)量、生產(chǎn)效率和效益，是實體制造業(yè)的利器。針對管子密性檢驗的要求和管子本身特征，運用幾種形式的密封原理，試制出3種管子密性工裝件，研究和逐步改進了管子密性工裝，并簡要分析了應用的經(jīng)濟性效果。上述3種管子密性工裝件，根據(jù)現(xiàn)場實際情況的選擇，廣泛應用于散貨船、集裝箱船、化學品船及LNG船等的管系密性檢驗中。通過實船應用驗證了工裝的可靠性、實用性，研究方法和現(xiàn)有設(shè)計對進一步改善管系密性工裝和提高密性檢驗效率具有一定的參考價值。