卡壓式機械連接器的密封性能分析及安裝技術的應用

劉添鋒

（福建省工業設備安裝有限公司, 福建三明 365000）

油氣輸送管網因為外力破壞、自身材料老化或安裝質量問題等因素的影響，不可避免會出現泄漏情況。以往的處理方式是先關閉泄漏點上游閥門，然后進行補焊，封堵泄漏點。但是這種作業模式會導致油氣供應的中斷，并且帶有一定的安危隱患。近年來非焊接機械連接器在油氣輸送管道中得到推廣應用，卡壓式機械連接器就是一種應用較廣、效果良好的快速修復工具。修復后的密封性能是評價卡壓式機械連接器應用效果的重要指標，因此熟練掌握卡壓式機械連接器的安裝技術并在安裝后開展密封試驗至關重要。

1 卡壓式機械連接器的密封原理與密封影響因素

1.1 密封原理

卡壓式機械連接器主要由壓力環、基體、密封壓緊環3 部分組成。連接器安裝時，提供一個外部的作用力使基體內部的密封壓緊環在壓力作用下徑向收縮，進而嵌入到壓緊環緊貼的管道表面，達到密封效果。根據其密封原理，可以看出要想保證密封效果，對密封圈的材質、性能有特殊要求，首先要求密封圈金屬的墊片具有較強的壓縮變形能力，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的韌性和強度，防止在擠壓變形時出現開裂等問題，也是保證密封效果的重要因素；最后是擁有回彈能力，在日常檢修維護時，能夠反復拆卸、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

結合卡壓式機械連接器的工作環境和結構特點，其泄漏問題主要分為2 種類型，即界面泄漏、滲透泄漏。為了深入地認識影響機械連接器密封性能的因素，本研究設計了卡壓式機械連接器的泄漏模型，見圖1。

圖1 卡壓式機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，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，要想避免卡壓式機械連接器的泄露問題，可以施加一個更大的外部荷載，讓密封環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到杜絕泄露的目的。當然，卡壓式機械連接器在實際應用中出現密封不良的情況，可能是多種因素共同導致的。除了壓力不足、密封環或管道表面不夠光滑外，像密封壓緊環自身的金屬疲勞問題，或者是金屬擠壓面的應力松弛現象，以及環境溫度的變化等等，也都有可能影響機械連接器的密封性能。并且隨著器件使用年限的延長，密封性能下降也會更加明顯。

1.3 密封性能改善措施

為進一步提高卡壓式機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械連接器的密封環之間涂抹密封膠。由于表面材料存在一定的粗糙度，決定了密封環與管道表面不可能做到完美貼合，在高壓環境下介質可能會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，對提升密封性能有顯著作用。目前使用的一種鐵錨604 液態密封膠，可以在高壓（10 Mpa）、高溫（600 ℃）環境下仍然保持性能穩定，適合卡壓式機械連接器的密封處理要求[2]。其二是在密封壓緊環的表面包裹金屬片，密封壓緊環為了保證足夠的剛度，通常選擇硬質金屬或合金，長期使用后容易出現嚴重磨損。在密封壓緊環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表面足夠光滑，阻斷泄露通道，同時又能延長其使用壽命。

2 卡壓式機械連接器的安裝技術

2.1 安裝過程

連接器兩側的管道需要完成預裝配，將壓力環分別套在需要對接的兩條管道的管口處，并使用定位環進行定位。將管口對齊后，利用外部動力源提供動力，推動壓力環由外向內移動，直到連接器兩側的壓力環碰撞、對接。繼續提供外部推動力，防止壓力環分開；然后張開安裝工具，旋轉180°后使兩個壓力環咬合在一起，撤去安裝工具，即可完成兩條管道的機械連接。

2.2 安裝工具的選型

2.2.1 安裝工具的結構形式

卡壓式機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、復雜環境下運行，給安裝也增加了難度。因此，在安裝作業時必須要借助于專門的工具，從而安全、快速、可靠地完成安裝。本研究結合卡壓式機械連接器的結構特點、運行環境，設計了一種安裝工具，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或應急維修時，能夠快速加載安裝連接器；可適應一些特殊工況（如高溫），保證安裝作業的連續性；采用分開式結構，方便快速組裝并投入工作狀態。從結構組成上來看，該安裝工具的主要功能部分有2 個，即開合結構與加載結構。其中，開合結構可以使該安裝工具張開一定角度（0°～180°），張開后能夠將整個連接器包裹，閉合后即可鎖緊連接器，形成一個省力杠桿，為后續壓力環的對接提供良好條件[3]。加載結構的作用是提供外部的推動力，使位于兩個管道端口上的壓力環能夠順利對接、咬合。

2.2.2 安裝工具的結構設計

卡壓式機械連接器在安裝時，除了要克服壓力環移動時的摩擦力外，還必須克服基體壓縮變形時的反作用力。因此要想保證機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，設計了壓力機加載試驗，試驗裝置見圖2。

圖2 壓力機加載實驗示意

搭建好試驗裝置后，分別用上、下套筒夾住連接器，啟動壓力機，開始進行加載。試驗人員密切關注壓力機表盤示數，持續增加壓力，直到卡壓式機械連接器能夠完成安裝，記錄下此時的壓力表示數，即為最大加載力。在實際安裝中，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桿體斷裂的情況。本次試驗中所用的活塞桿材料為20CrMnTi，強度極限超過1 000 Mpa，屈服極限達到820 Mpa，完全能夠滿足試驗需要。

2.3 安裝工具的液壓動力源

液壓系統是壓力機加載力的動力來源，其核心裝置為液壓泵，可以通過機械做功的方式產生強大的壓力，從而在液壓油的作用下推動液壓元件做功，實現動力輸出。液壓動力源的回路設計見圖3。

圖3 液壓系統原理

結合圖3，液壓動力系統的運作方式為：系統啟動運行后，液壓泵加壓并達到設定的壓力值后，打開閥門，在強大的壓力推動下液壓油涌入換向閥，經換向閥流出進入到節流閥。在節流閥處調控液壓油的流量，并通過多發閥門口進入到對應的液壓缸中。完成供能后的液壓油進入到回油路，并通過兩位兩通換向閥從另一側流回油箱內。在液壓系統運行期間，壓力表會實時采集該系統的壓力數據，當出現過載情況后，利用溢流閥排出部分液壓油從而達到降壓效果。在設計液壓系統時，需要重點關注以下兩項參數：其一是液壓泵的工作壓力，要求最大工作壓力值PMax不得低于液壓執行元件的最大工作壓力P 和進油路上總壓力損失P0，即：

對于管路比較簡單、流速較小的情況，∑P0通常可以取1.0～1.2 Mpa；該試驗中P 為30 Mpa，故液壓泵的最大工作壓力不得低于31.2 Mpa，考慮到實際運行中還會存在管壁摩擦阻力，以及加載力波動變化等因素的影響，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）和液壓系統的泄露系數（β）有關，其關系式為：

這里的β 取1.2，該系統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。基于上述計算，最終選擇了A7V28 型軸向柱塞泵，其性能參數見表1，可以滿足卡壓式機械連接器安裝的需要。

表1 A7V28 型液壓泵的基本參數

3 卡壓式機械連接器安裝后的氣密性試驗

3.1 試驗方法

使用上述安裝工具完成卡壓式機械連接器的安裝后，還要檢驗連接器的密封性能是否達標。為此，本研究設計了一項氣密性試驗，試驗裝置主要包括高壓氮氣瓶、氮氣減壓閥（可調范圍0～10 Mpa）以及壓力表等[4]，整個裝置的組成見圖4。

圖4 氣密性試驗裝置

試驗開始后，首先按照上圖所示將各臺設備連接起來，完成組裝后調節壓力表，設定壓力參數為0.4 Mpa 后啟動設備并充入高壓氮氣，此時裝置壓力開始上升，達到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，繼續升壓，每次升高0.4 Mpa。每升高一級壓力，涂刷一遍肥皂水并檢查氣密性，重復此操作直到壓力達到4.0 Mpa[5]。最后緩慢卸壓，拆除試驗裝置。

3.2 試驗結果

本次氣密性試驗的結果統計見表2。結合上表信息可知，在10 個試驗壓力等級下，均未出現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位移均不超過要求的0.1 mm，說明卡壓式連接器安裝運行后，在運行壓力不超過4.0 MPa 的情況下密封效果良好。

表2 氣密性試驗結果

4 結論

密封性能是評價卡壓式機械連接器應用效果的核心指標，但是由于結構復雜、運行環境特殊，在安裝期間經常會出現質量瑕疵，進而影響密封效果。根據以往的設備維護與檢修經驗，密封壓緊環疲勞、材料應力松弛等是導致密封失效的常見原因。基于此，在卡壓式機械連接器的安裝中，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。本研究設計的一種由液壓系統提供動力，推動兩側壓緊環對接咬合，從而實現管道連接的卡壓式機械連接器，經過密封性能試驗驗證，當系統壓力在4.0 Mpa范圍內，可保證良好的密封效果，能夠滿足管道連接與運行的需要。