沟槽式卡箍对接长金属滤袋的设计

陈美琴

（闽西职业技术学院，福建 龙岩 364000）

1 研究目的

我国工业快速发展给国家带来了发展的同时，也对环境造成了严峻的考验。为了降低因工业发展而造成的环境污染问题，除尘设备得到了广泛的应用。为了满足国家环保标准要求，圆筒形金属滤袋在除尘设备中作用越来越明显[1]。而长金属滤袋因耐高温，耐腐蚀，重复利用等优点，广泛应用于冶金、煤炭等行业中。长金属滤袋的对接结构目前多采用法兰盘连接和螺栓连接，但法兰盘连接存在安装时螺栓数量多，工作效率低的缺点，螺栓连接方式容易造成上下两节金属滤袋同轴度难保证。

卡箍也经常被广泛应用于工程机械、汽车等输送流体介质的设备中。而且卡箍连接占用的空间也比较小，据统计，对于一定的外径的管道，同样使用法兰和卡箍连接管道，沟槽式卡箍安装所需的空间大约为法兰连接的70%[1]。从1998 年，卡箍连接方式开始研制开发到现在，经过多年的开发和应用，管道连接常用的法兰盘连接和螺栓连接方式已经逐渐被取代了。不但技术上更显成熟，市场也普遍认可，而且得到了国家法规政策的积极引导。卡箍连接技术的应用，使复杂的管道连接工序变得简单、快捷、方便，使管道连接技术向前迈了一大步[2]。沟槽式卡链连接在消防管道系统中应用较多，直径最大到200mm，工作压力最大到2.5MPa[3]。卡箍是一种紧箍对接快接头的连接装置，一般带有垫片用于连接带沟槽的管路，其密封性强，安装简便。本文针对在除尘设备长金属滤袋对接结构中的应用，做出分析及设计。

2 卡箍的设计思路

卡箍按结构形状可分为：用钢丝环绕成环状的卡箍以及锻造成形的卡箍[4]。其主要材料:碳素弹簧钢丝，不锈钢弹簧线，磷铜弹簧丝等。本文结合除尘设备金属滤袋的结构特点，对使用于金属滤袋对接的锻造成型的卡箍进行分析设计。

由于某除尘设备中的长金属滤袋要求为8 米长，因此分为上、中、下三段运输，到现场进行对接安装。为了降低工人的安装强度以及工作效率，同时考虑到设备维护的便利性，急需一种新的连接结构来实现。金属滤袋的工作环境为高温烟气（400℃），材质采用304 不锈钢，要求气密性强且安装方便，效率高。针对现有的对接结构存在的问题，提出一种新型的对接方式——沟槽式卡箍对接装置，在方便保证同轴度的同时，减小螺栓的数量，大大提高了工作效率。

2.1 结构设计

金属滤袋目前常用的连接方式是法兰盘连接（如图1 所示）和螺纹连接（如图2 所示），其特性为同轴度难保证，螺栓数量大，现采用沟槽式卡箍连接，其密封性强，结构简单（如图3 所示），安装方便，性能良好。

图2 金属滤袋螺纹对接结构

图3 沟槽卡箍结构图

设计在对接金属滤袋结构时，把沟槽卡箍卡在上下两端金属滤袋的接头处，并在金属滤袋两个接头处做成喇叭状管道，并在管道上设置环形槽，用于连接沟槽卡箍（如图4 所示），从而保证管道在轴向拉力的作用下不被拉开的同时还能保证管道连接处的气密性。卡箍只需要旋紧一根螺栓，与法兰盘相比紧固简单、方便可靠。上下两对接结构间隙密封靠被压紧的橡胶圈来实现，结构示意如图1 所示。

图1 金属滤袋法兰对接结构

图4 沟槽卡箍连接图

密封圈采用C 型结构，利用密封圈自身的压力紧紧压在卡箍内侧，从而保证金属滤袋对接结构的气密性。将橡胶密封圈的尺寸设计略大于对接管道外侧和卡箍内侧形成的内腔，当卡箍的螺栓拧紧后，将进一步挤压橡胶圈，从而进一步加强对接结构的气密性。

2.2 卡箍材料

卡箍采用304 不锈钢，为06Cr19Ni10，密度为7.93 g/cm3，耐高温，适合用于800℃工作环境，而且具有较高的韧性和良好的加工性能的特点[5]。

C 型密封圈采用耐高材料，适用于400℃的高温工作环境。

2.3 卡箍结构尺寸设计

金属滤袋的直径D=160mm，因此卡箍最大外径不能超出160mm，则卡箍的螺栓连接处直径可取为155mm，卡箍最大外径尺寸为135mm，除尘设备工作时所产生的烟气压力0.1MP，振打抖灰时0.35MP，则轴向力计算为[5]：

Q 为烟气的轴向力；D 为金属滤袋的直径；Pg烟气压力取较大值0.35MP，G 为滤袋重量，包括笼骨及滤袋两部分重量，第一节金属滤袋与第二节金属滤袋的对接结构承受第二节和第三节金属滤袋的重量，以此取两节金属滤袋的重量60N

上式中B 为卡箍沟槽与对接环的对接环形面积，沟槽宽度取2mm，对接环外径取120mm，304 不锈钢的许用应力[6][δ]=137MP，E≤[δ] 则卡箍尺寸设计安全。

根据沟槽的宽度不同值，计算得出如表1。

表1 沟槽参数设计

对接管的为了与沟槽卡箍连接，设计了沟槽，则在沟槽处对接处的管壁会变薄，则需对此处的应力进行分析。管道槽深一般在1.6-2.7mm。

上式中P 管道承受的压力，C 管道壁厚的附加量，D管道外径，δ 减薄后壁厚率，[ε]材料的许用应力。

除尘设备工作时，最大工作压力为0.35MPa，对比以上数据，可知该尺寸是符合要求的。

密封圈尺寸取略大于正常尺寸，金属滤袋对接结构外径为122mm。

2.4 卡箍紧固件尺寸分析

金属滤袋的对接不仅要求安装简单，维护方便，因此选择卡箍的固定方式采用螺栓螺。螺栓螺母的连接不仅对工人的操作能力要求较低而且应用广泛。一个卡箍连接件仅需要两个螺栓连接，跟金属滤袋目前的对接方式——法兰盘相比较，在数量上大大减少了，从而也降低了工人的工作量和经济成本。沟槽式卡箍螺栓主要受到拉力，属于受拉连接，因此分析螺栓受拉情况下的强度和预紧力。

在连接金属滤袋结构时，卡箍受到金属滤袋对它的径向力和轴向力，而影响卡箍紧固件螺栓的轴向力则是卡箍受到的径向力，则螺栓总拉力为F'=F0+F,则螺栓的设计计算为：

F’螺栓受到的总拉力；

d1螺栓的最小直径；

[σ]螺栓的许用应力。

在分析螺栓轴向力时，将卡箍的径向力模型进行简化成矩形受力面，又因金属滤袋在振打时的压力值最大为3.5MP，则卡箍受到的径向力为：F=A×p=120×20×3.5=8400N 一个卡箍上有两个螺栓，因此每个螺栓受到的拉力为总拉力的一半，则F’=8400/2=4200N，查表，根据螺栓材料[6]σs=314MPa，并查得s=4～3，取s=3，许用应力[σ]=315/3=105MPa

查螺栓标准，选用M12 的螺栓。

3 设计结构合理性分析

该卡箍结构的特点：除尘设备工作时，高温高压的烟气流经金属滤袋时所产生的轴向力加压在卡箍上，而产生的径向力则加载在螺栓上，而径向力远小于轴向力。当采用法兰盘来对接长金属滤袋时，高温高压烟气所产生的轴向力全部加载在螺栓上。因此卡箍结构的受力强度比法兰盘的受力强度高。

气密性强：密封圈采用C 型结构，实现了三重保证（如图5 所示）。第一重：密封圈本身的密封作用；第二重：锁紧卡箍后，卡箍压紧C 型橡胶密封圈，进一步加强了气密性；第三重：除尘设备工作时，流经的烟气进入C 型内腔，其加压在C 型橡胶密封圈的密封唇上，使密封圈紧紧压在对接件的管壁上，从而形成了自密封。其泄露率远远低于螺纹连接。

图5 密封圈加压示意图

安装简便、快速。当金属滤袋采用法兰盘连接时，螺栓数量多，大大增加了工作负担；如果采用焊接结构时，在现成安装不仅不方便，而且增加风险，同时拆装时必须破坏原有的焊接结构，无法重复利用。卡箍结构只需要拧紧一个螺栓，大大减轻了工作量，而且在拆装维修时无需破坏原有的结构，不仅安装简单快速，而且可重复利用，便于维修。

4 结论

本文针对已有的长金属滤袋对接的不足，提出了新的设计方法思路，通过沟槽式的卡箍结构来实现上下两节金属滤袋的对接，利用C 型密封圈的工作特性，保证了金属滤袋的气密性的需求，保证了金属滤袋在工作过程中不漏灰的需求，以此同时大大降低了金属滤袋对接的工作量。希望该设计思路对除尘环保设备中的金属滤袋设计者提供一定的参考价值。