大口径水压试管机端面密封形式研究

2013-05-15寇永乐刘继高李培力刘慧超

机械工程与自动化 2013年1期

寇永乐，刘继高，隋健，李培力，刘慧超

（中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032）

1 几种常用的密封形式

1.1 外径密封

密封钢管外径，称为外径向大间隙密封，广泛应用于直径小于Φ508 mm的钢管试压中。外径密封的最高试验压力可达140 MPa，由于是密封钢管的外径，因此模具结构尺寸只与钢管外径有关；另一方面，由于是要密封钢管外径，因此作为施压工具的模具尺寸相对较大，因而对于直径大于Φ508 mm的钢管不适宜采用外径密封形式。外径向大间隙密封示意图如图1所示。

图1 外径向大间隙密封示意图

1.2 内径密封

密封钢管内径，称为内径向大间隙密封，广泛应用于直径大于Φ355 mm小于Φ720 mm的钢管，最高试验压力可达140 MPa。由于采用密封钢管的内径，因此模具的尺寸相对较小，但是由于钢管的壁厚范围较大，因此所做模具的型号也多；另外，由于要对钢管的两端部位内径方向进行密封，因此对设备的同心度要求高，而对于直线度较差的大口径钢管试压有一定难度，因此内径密封使用也有一定的局限性。内径向大间隙密封示意图如图2所示。

1.3 端面密封

端面密封模具结构相对简单，并且对于不同型号钢管无需更换试压模具，因此所需要的工模具相对而言少得多，对被试压钢管的对中性要求也低。但由于受密封本身性能的影响，端面密封模具试验压力一般不超过30 MPa，而大口径钢管的试验压力相对较低，因此广泛用于大口径钢管的试压。端面密封示意图如图3所示。

图2 内径向大间隙密封示意图

2 影响端面密封试压效果的因素

2.1 端面密封材料硬度对于试压效果的影响

端面密封材料为聚氨酯或者改性尼龙，其硬度对试压效果影响显著，本文分析对比3种材料硬度对钢管试压压力的影响。

（1）材料邵氏硬度低于90：试验结果表明此硬度最高试验压力为10 MPa，大于10 MPa后密封严重变形，产生翘曲现象。

（2）材料邵氏硬度大于90小于94：试验结果表明此硬度最高试验压力为15 MPa，大于15 MPa后密封严重变形，产生翘曲现象。

（3）材料邵氏硬度为96：试验结果表明此硬度最高试验压力为28 MPa，密封使用寿命长。

图3 端面密封示意图

由此可见，内、外径密封一般应用于试验压力较高的场合，而端面密封则应用于压力低于30 MPa的情况下，作者建议端面密封使用压力≤20 MPa。

并不是说端面密封材料的硬度越高越好，由于材料硬度过大，密封脆性大，在使用过程中容易出现裂纹；另外由于密封硬度大，对钢管的密封性能下降。

2.2 端面密封模具摆角对于试压效果的影响

端面密封是靠对钢管端面进行密封，因此若钢管端面斜度较大，而模具本身又不具有一定的补偿量，则起不到密封的效果，试验压力也就建立不起来，所以在设计中必须考虑模具留有一定摆角，一般情况下，摆角控制在2°左右，如图4所示，模具可以沿球面有小角度的摆动。

图4 摆动接头体示意图

2.3 轴向压力对端面密封试压效果的影响

模具受力示意图如图5所示。在试压过程中，为保证对钢管端面进行有效密封，须在钢管两端面施加轴向力P2，而钢管内部又受到高压水的作用，对试压模具有一反作用力P1。P1取决于钢管内径和试压压力，而轴向力P2设置的大小是决定整个试压过程成功与否的关键。若P2＜P1，显然试压过程无法实现，必须要求P2＞P1，但具体数值取决于以下两方面因素。

2.3.1 密封所需的力

若要对钢管端面进行密封，密封圈本身需要有一定的压缩变形量ΔL，一般ΔL在5 mm左右。在密封圈弹性变形范围内，密封圈受力P3可粗略按下式计算：