承插式柔性钢管密封结构设计与试验*

戚祝晖， 葛 云， 陈 飞， 蔡文军

（1. 石河子大学 机械电气工程学院， 新疆 石河子832003；2. 石河子开发区天浩管业有限责任公司， 新疆 石河子832014）

0 前 言

地下管道主要用于输送天然气、 石油、 水、蒸汽等， 是城市供水、 供气等生命线工程的重要组成部分[1]。 影响钢管的应用和质量的主要因素一是钢管的防腐处理， 二是钢管的安装连接方式。 对于大直径钢管的连接， 钢管连接接口是薄弱环节。 管道接口连接方式主要有三种： ①对头环焊连接方式； ②承插连接方式； ③热熔连接方式。 对头环焊连接方式和热熔连接方式因其采用现场热处理方式连接， 还需进行防腐等保护处理， 造成了施工周期长、 连接要求高、 操作复杂的情况， 严重影响钢管在输水管道领域的应用。 承插连接方式因其有效加快了现场输水管道对接安装速度， 因而逐渐受到重视。 柔性承插连接接头只需将橡胶圈放置在插口槽内， 用液压缸或其他引导器械将插口端引入承口端即可， 同时承插式柔性接口可使地下管网呈链状构件， 能减缓地质应力使管道断裂的问题。 然而承插柔性接口也有其局限性， 为了防止管道纵向拉脱， 需要设计基墩与限制性接口， 如PCCP 的铠装接口、 球墨铸铁管的自锚型接口、玻璃钢管和PVC 管的带键槽接口等。 开发和设计适应钢管自身特点的承插柔性接口将有利于钢管在输水管道领域的普及和应用。 因此， 合理设计承插式管道柔性接口结构， 开发承插式钢管柔性连接和安装工艺有着一定的研究意义。

1 承插密封形式

近十年来， 国内输水钢管根据其它输水管道的接口形式 （PCCP、 球墨铸铁管和玻璃钢管），开发了多种钢管承插柔性接口。 常见的承插式钢管密封结构如图1 所示， 大致可以分为以下4 种： ①轧槽式柔性连接； ②卡内基式柔性连接； ③滑入式柔性连接； ④机械式柔性连接。

图1 承插式钢管柔性密封结构示意图

轧槽式连接和卡内基式连接， 是美国水行业协会 （AWWA）[2-3]允许使用的两种承插式连接。轧槽式连接形式如图1 （a） 所示， 钢管一端压塑冷变形成插口， 另一端扩径成承口， 通过挤压插口槽处橡胶圈达到密封的效果， 制造中对钢管壁厚有一定的要求， 若钢管壁厚过大， 则难以用冷加工方式获得。

卡内基式接口弥补了轧槽式柔性接口在厚壁钢管制造中的不足， 如图1 （b） 所示， 承插结构与钢管主体并不是一体， 而是在出厂前将成型好的承插件焊接在钢管两端， 以形成承插结构。 可以是承口扩张， 插口焊接， 也可以是承口焊接，插口扩张。 然而二次焊接一定程度上增加了工艺的复杂性， 焊接完成后需对其焊缝进行探伤检测。

滑入式柔性连接结构如图1 （c） 所示。 先将橡胶圈嵌入承口管道凹槽内， 再用专用工具将插口管道推入承口管道中。 该种接口不能承受轴向力， 为防止管道滑脱， 需要在管线的拐弯处设置承受轴向力的基墩[4]。

上述3 种方式是靠承口及插口的尺寸使胶圈压缩产生接触压力形成密封， 而机械式柔性连接采用压环、 螺栓压紧装置， 靠的是压环的作用使胶圈产生接触压力形成密封， 密封性较好， 其结构如图1 （d） 所示。 通过松动紧固螺栓， 拆下压环， 再更换胶圈， 进而消除管道接口处渗漏风险， 但螺栓易腐蚀， 影响其密封性。

以上4 种类型接口均会用到密封圈， 密封圈紧固在沟槽里， 当钢管移动或水压测试时需保证不会露出， 且在任何工作状态下， 连接处必须保证水密封。 为测试水密封性能， 需要将全部管道安装完毕或者分段安装后进行分段试压， 造成水资源浪费， 且作业复杂， 于是便有了双槽密封的承插模式[5]， 如图2 所示， 主要应用于PCCP 管铠装等连接， 其将原有单道密封圈改为相隔一定间距的双密封圈， 并在中间处开小孔， 完成水压密封性能测试。

图2 双槽密封承插形式示意图

2 承插密封结构及工艺设计

2.1 双槽双胶圈柔性直口承插密封工艺结构

本研究针对DN219 mm～DN1 620 mm 螺旋焊管承插口进行设计制造， 采用双槽密封承插形式， 对接口进行改进和优化， 缩短安装周期和水资源消耗。 由于钢管运行时其自身重量或地面沉降， 均匀支持状态会有一定破坏， 会使密封圈各处压缩量不同， 在某些局部就会出现较大的弯曲应力， 影响使用寿命， 为了使密封圈在圆周方向上压缩量大体一致， 同时也可使对接钢管成一定的角度， 本研究设计了双槽双胶圈柔性直口承插密封工艺结构[6]， 如图3 所示。 插口钢管承力台肩处壁厚较大， 对其局部进行热处理， 增大其承受的弯曲载荷范围， 在制造时需考虑不同管径对不同台肩角度的要求。 承口钢管直接采用扩口工艺， 从而节约成本， 简化工艺。

图3 双槽双胶圈柔性直口承插密封工艺结构示意图

2.2 密封圈的规格选择

2.2.1 密封圈截面形状的选择

密 封 圈 截 面 形 状 有T 形、 O 形、 方 形、 X形等。 T 形密封圈耐震动性好， 常用于中低压管路和轻载旋转密封的场合， 且经常与挡圈合用； O 形密封圈是使用最广泛的一种， 有自密封作用， 且尺寸和沟槽已标准化， 广泛应用于水压、 液压、 气压各种管路中； 方形密封圈摩擦阻力大， 制作方便， 但安装难度相较于O 形较大； X 形密封圈摩擦阻力小， 常用于旋转运动的场合。 大直径承插口柔性密封管线对接时，承口对密封圈有一个轴向的水平推力， 这个推力易使密封圈扭转或滑脱[7]， 要求密封圈顶部要圆滑， 使对接时过渡平稳； 管线运行时钢管工作压力较高， 大直径输水管道水压测试要求在3 MPa 左右， 因此不管是对接时， 还是运行时均要保证密封圈与密封槽侧壁有较好的接触，以减小密封圈的滑动量， 密封圈底部要平滑。综合考虑安装成本、 可靠性等方面， 最终选用非标O 形密封圈。 其截面形状接近梯形， 上窄下宽， 表面有弧度， 如图4 所示。

图4 非标O 型密封圈截面形状

2.2.2 密封圈截面高度的确定

密封圈安装时， 为保证密封圈不滑动脱落以及密封圈与密封槽侧壁紧密接触， 需要预紧密封圈， 其截面高度会因弹性变形减小， 使得密封圈压缩量达不到设计要求。 但若选择密封圈高度太大， 压缩率相应增大， 使得密封圈发生永久变形， 密封性能下降， 因此需要结合密封圈材料属性、 承口和插口尺寸公差以及承插管道安装允许变动量， 合理选择密封圈高度。密封橡胶圈在密封介质为油、 静密封形式下，压缩率要求在15%～25%[8]。

密封圈的断面总压缩量δ 与密封圈原高度比称为压缩率K， 即

式 （1） 中的压缩量δ 通常表示为

式中： d0——密封圈自由状态下的断面高度， mm；

D′——缸径或沟槽外径， mm；

d′——沟槽底径或活塞杆高度， mm；

H——密封槽高度， mm。

以DN800 mm 钢管为例， d′=820 mm， 承口与插口间隙配合采用推荐配合形式为H9/d9。 承口模具设计扩张承口内径D′=850 mm， 则密封槽高度H=30 mm， 若要使得15%≤K≤25%，则密封圈在自由状态下的断面高度d0应在30～40 mm。 考虑密封圈因预安装高度的损失以及双沟槽前后密封槽在实际工况下的变动范围，取d0=38 mm。

2.3 承插式柔性钢管制造

由于螺旋焊管管件质量大， 应避免承插头因自身重量造成的制造误差， 为提高承插头的生产效率， 降低制造成本， 在保证承插头使用强度的情况下， 采用冷压工艺制造， 冷压制造设备采用液压缸为冷压动力源， 采用高性能钢作为模具材料。 为了方便实现冷压制造与实地快速安装， 管端焊接有管道对接用的吊耳[6]，用二氧化碳保护焊方式进行局部补强处理并进行100%MT （磁粉探伤） 无损探伤评定， 随后进行表面涂覆保护。 承口、 插口钢管效果如图5所示。

图5 承口与插口钢管效果图

3 密封性能试验

为了进一步验证承插式柔性钢管安装性能，2020 年6 月8 日在新疆维吾尔自治区石河子市天浩管业有限责任公司示范基地， 进行密封性能试验， 试验设备和仪器包括： 液压安装设备（380 V-8.8 A-4 kW）、 轴向柱塞泵 （公称排量25 mL/r）、 液压杆 （拉力为30 t）、 手摇试压泵（压力值70 kg）、 压力表 （0～4 MPa， 最小刻度0.02 MPa）、 秒表等， 试验现场照片如图6 所示。

图6 承插式柔性钢管密封性试验现场照片

参考《给水排水工程埋地承插式柔性接口钢管管道技术规程》[9]， 供水管道密封性试验操作步骤为： ①对已涂有食用油以及安装三元乙丙密封圈 （硬度50HS） 的承口和插口进行定位， 通过液压伸缩杆使承插口连接； ②打开注水口与排气口， 安装打压测试装备， 将溶液注入密封环内， 使得密封环内的压降与大气压力相等， 持续1 min， 确保内部空气排出密封环； ③关闭排气口， 压力慢慢上升， 每升压0.5 MPa 需进行排气测试， 直至将压力升至试验压力， 试验压力保持恒压2 min， 期间如有压力下降可注水补压，但压降不得大于0.03 MPa 且不得高于试验压力，检查管道接口处有无渗漏现象， 如有渗漏现象应中止试压， 并查明原因采取相应措施后重新组织试压； ④上述步骤完成后， 应立即停止注水补压， 5 min 后观察压力表， 数值下降幅度小于0.01 MPa 则密封合格， 否则为不合格。 承插式柔性钢管安装密封性打压试验， 试验对象为承插式柔性低压钢管， 设计压力Fwd≤2.5 MPa， 试验压力Ft=Fwd+0.5=3 MPa， 测试的50 处承插柔性接口均符合管道密封性行业标准。

4 总结与展望

本设计采用的双槽双胶圈柔性直口承插密封工艺结构以及密封圈规格的选取方法， 通过密封性试验验证， 可满足管道密封性行业标准和企业项目需求， 同时与研发的配套承插口制造和快速安装设备， 加快了制造和安装速度， 形成了一套完善的工艺链。 目前工艺结构与相关制造安装设备已拥有专利保护， 并在具体项目中开展应用。随着3D 打印技术、 形状记忆合金等新技术的开发与应用， 承插密封工艺结构形式将越来越多样化。