承压钢管柔性密封接头的性能

肖国章，高 霞,2 编译

（1.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008）

承压钢管柔性密封接头的性能

肖国章1，高 霞1,2编译

（1.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008；2.国家石油天然气管材工程技术研究中心，陕西 宝鸡721008）

钢管系统中典型的接头形式包括无约束的橡胶密封式、约束式的现场焊接式、法兰连接、管箍连接和伸缩接头。针对钢管和其他用途材质的管道最常见的不受约束的密封接头，介绍了美国水工程协会（AWWA）供水实践手册M11的钢制水管章节中滚压沟槽式和卡内基式两种主要类型密封接头的设计和安装，讨论了滚压沟槽接头的发展、设计以及制造过程中的质量控制，同时比较了与卡内基式接头的相似和不同之处。沟槽接头的破坏性试验结果显示，承口端和插口端的冷成型不影响钢管的质量和强度。五十多年的应用表明，滚压沟槽接头管道直径可达1 981.2 mm（78 in），最大工作压力为1.72 MPa（250 psi），允许瞬时最大压力为2.59 MPa（375 psi），接头不需要购买或单独进行焊接，经济性良好。

钢制水管；密封接头；滚压沟槽接头；卡内基式接头；承口端；插口端；冷成型；质量控制

在北美地区，钢管被广泛应用于水的输配送管道中，尤其是建设大直径重要管道时，钢管是首选。密封接头不仅是钢制水管最常见的无约束的连接系统，也广泛应用于混凝土、球墨铸铁和PVC等常用材料管道中。钢管系统中其他接头类型还有约束式的现场焊接式、法兰连接、管箍连接和伸缩接头等。本研究主要针对沟槽式橡胶密封接头，介绍了其制造工艺、质量控制和安装，对O型圈密封整体接头进行了深入分析，同时将滚压沟槽式接头与卡内基式接头进行了比较。

1 标准规定

1.1 性能要求

AWWA C200（2005）标准，在第 4.13 节“管端准备”的4.13.6中，橡胶密封的承插接头插口端沟槽的成型要求，根据不同钢管生产商而不同。根据标准对性能要求如下：①密封圈被限制在一个环形空间内，管道移动或水压时不会移动位置；②O型圈受压缩后，接头水密封性变得更好；③在任何服役条件下，接头必须保持密封不漏水。

1.2 密封垫圈

提供了密封垫圈材料的成分，规定了物理/力学性能，包括抗拉强度、断裂伸长率、比重、压缩形变、老化后的抗拉强度、邵氏硬度（或硬度）。密封垫圈的尺寸没有明确提及，而是由制造商规定。

1.3 接头结构

AWWA C200标准允许承插接头两端在钢管端部整体成型或由单独的钢板/片，或特定的部件组装后焊接在钢管端部。AWWA M11（2004）设计指南中涉及了几种结构的密封承插接头。图1给出了3种主要类型钢管承插密封接头。图1（a）为滚压沟槽接头，是整体结构，插口端在钢管端部利用旋转辊滚压加工成型沟槽，承口端部冷扩径成型。 图 1（b）、 图1（c）为卡内基型接头，卡内基型接头是将非整体的带密封槽的插口端部件焊接到钢管端部，承口端部冷扩径成型；或承口端和插口端都是将部件焊接到钢管端部。

图1 3种类型承插接头结构示意图

这3种结构的接头能够满足AWWA C200标准中规定的性能要求，并提供适当的水密密封圈，滚压沟槽接头是本研究的重点。

2 滚压沟槽接头的发展历史

1993年，美国丹佛的螺旋焊接钢管制造商—汤普森管道钢铁公司（后被美国西北管道公司收购），发表了一篇庆祝滚压沟槽式密封接头产品问世30周年的纪念文章。作者在文章中指出，在过去的 30年间，约有 823 km（2.7×106ft）的管道安装中使用了O-Tite接头，O-Tite接头是钢制水管现代化的重要产品。

从20世纪30年代，市政管线接头的密封就开始使用O型圈。例如，1937—1957年，O型圈接头是球墨铸铁管使用的主要接头类型。这种接头将橡胶密封圈压缩在有限制的环中，再与黄麻纤维止漏带配合使用。在20世纪40年代，卡内基式的密封接头被广泛应用于混凝土压力管道中。在20世纪50年代，阿姆科钢铁公司、美国钢铁公司和伯利恒钢铁公司等多家钢管生产商开始制造钢管，钢管端部采用冷成型，O型圈密封。钢管承口端冷成型，插口端将衬垫板条焊接到钢管端部以固定密封圈。另一种形式为在插口端成型V形槽，以放置密封圈。

1956年，这种接头被西北管道公司的前身Beall钢管容器公司发明的冷成型 “滚压沟槽”O型圈密封接头替代。联合混凝土管道公司和L.B.福斯特公司等也各自发明了滚压沟槽接头，这些公司后来均被西北管道公司收购。1962年，阿姆科钢铁公司所属的弗莫尔工厂已经安装了超过152.4 km（5×105ft）带 Stab-joint接头的滚压沟槽类型接头钢制水管。1961年阿姆科公司的Stab-JointTM接头如图2所示。

图2 1961年Armco（阿姆科公司）的Stab-JointTM接头

汤普森管道钢铁公司被西北管道公司收购时，对其1961—1996年销售记录涉及产品进行调查表明，直径从 762～1 828.8 mm（30～72in）的许多钢管项目至今仍在服役。有超过50年的历史证明，在北美地区，滚压沟槽接头仍在继续使用且运行良好。

3 滚压沟槽接头的制造

3.1 承口端

钢管接头承口端的冷成型过程如图3所示，将钢管推至硬质表面的模具（图3（b）），通过生产线上的水压试验机（图3（a））施加压力。硬质表面的模具安装在水压试验机的一端，位置见图3（a）中 X位置。 图3（c）为钢管在插口端模具中被水压试验机施加压力时的情形。这种承口端成型的方法称为 “模具冷扩径”。通过模具冷扩径使承口端内径与插口端接触区域的尺寸接近一致，以使插口端顺利插入及密封圈的压缩。使用液压膨胀器进行承口端的成型，不能达到与使用模具一致的水平，因此一般使用膨胀器制造焊接式承口端，不用于制造滚压沟槽接头的承口端。

对于直径1 524 mm（60 in）的滚压沟槽接头钢管，承口端连接长度达215.9 mm（8.5 in），承口端深度与插口端的承插区域，存在至少25.4 mm（1 in）的拉出调整量（补偿量），可以保证接头有一定角度的偏转。也就是说，滚压沟槽接头的插入深度要大于卡内基式接头的插入深度。

图3 钢管接头承口端的成型

3.2 插口端

钢管插口端的沟槽通过一对凹凸轧辊旋转辊压冷成型。沟槽接头的密封原理及实物照片如图4所示。沟槽成型后，底部相对平坦并有小的内圆角半径，沟槽位于两个弯曲的肩部之间，如图4（a）所示。沟槽后肩部微微隆起，为钢管与钢管之间的全接触提供了支撑。沟槽相对的角度将O型圈限制在环形空间内并压缩，如图4（b）和图 4（c）所示。 沟槽深度取决于钢管承口端直径，根据直径和壁厚不同而不同。

图4 沟槽接头实物照片及其密封原理

4 滚压沟槽接头质量控制

4.1 承口端和插口端沟槽的水压试验

插口端滚压沟槽的成型通常在生产线的水压试验之前。为保证轧制沟槽的完整性，需要做多种无损检测（NDT）。承口端的成型与水压同时进行，成型后的承插口两端都要经过生产线的水压试验。所有影响接头外形的螺旋焊缝在端部成型前需要进行打磨，如图5所示。

图5 接头处螺旋焊缝的打磨区域

4.2 关键尺寸控制

滚压沟槽接头成功的设计和制造，是无约束大直径钢制水管精密加工的实例。接头最关键的公差之一是承口端喇叭口内径与插口端后肩部外径之差，如图6所示。

图6 承口端和插口端关键尺寸位置示意图

O型密封圈的尺寸是根据下列指导原则，通过计算得到：①拉伸的密封圈横截面需填满沟槽的环形空间；②密封圈的直径与沟槽的体积成比例；③密封圈的周长是由伸直长度决定，以保证紧密配合，并降低在装配过程中滚出的几率；④在完全密封时，密封圈足够的压缩比密封时的体积要重要得多，当拉伸时，横向压缩达到O型密封圈直径的30%，被认为具有足够的水密性。

插口端肩部的外径（图6（b））与承口端内径（图6（a））之间允许的公差或 “间隙”应在密封接触区域均匀分布，这反映了接头的紧密度容限。

每次开始生产钢管之前，应取5根钢管进行试验。先在5根钢管端部进行承口端和插口端的成型，对装配好的接头进行检验测试，收集不同接头的相关尺寸信息，以验证所有的关键公差，用以计算密封圈的适当尺寸。在订购O型密封圈前，应根据检验测试结果重新确定密封圈的尺寸。检验测试过程中可以暴露插口端沟槽成型工艺的任何异常，以在批量生产接头之前进行适当的修改。

与其他O型密封圈系统一样，密封后的压力会导致密封圈进一步压缩，随着管道流体压力的增加，密封圈的密封作用会增强。但是水密性对于O型圈密封性能并不是必需的，O型密封圈的抗压性能可以使接头防水，即使接头在低内压下也能保证密封。

据了解，滚压沟槽接头钢管在不泄漏的情况下，可承受超过6%的垂直变形。承插槽的这种“波纹效应”是由于滚压沟槽管壁横截面的转动惯量（I）的变化而引起的，这增加了理想刚度。接头区域是钢管要求最严格的部分，比钢管本身能承受更大的载荷和环变形。

5 滚压沟槽接头性能

5.1 冷成型对钢的影响

业内对冷轧技术在钢管制造过程中的影响做了多种研究。Shoemaker和 Maxey研究表明，在石油和天然气工业中，钢管经过U、O成型工艺后不影响钢管的功能或设计。Keil研究表明，AWWA C200标准钢管采用螺旋埋弧焊接工艺，钢的物理/力学性能不会发生显著的变化；承插密封接头钢管的承口端和插口端轧制沟槽在冷加工成型中，不会降低钢管的力学性能；他还指出，生产工艺不影响水管的安全系数的设计，因此不需要限制无约束滚压沟槽密封接头的环向应力和轴向载荷的设计。

本研究对象为按照AWWA C200标准生产的两段公称直径为762 mm（30 in）的带滚压沟槽密封接头的螺旋钢管样品。样品一壁厚为3.78 mm（0.149 in），设计工作压力为 1.14 MPa（165 psi），样品二壁厚为5.26 mm（0.207 in），设计工作压力为2.07MPa（300psi）。试验内容包括夏比冲击、屈服强度、最大抗拉强度、伸长率（按照ASTM A370-09a）、硬度 （均按照ASTM E18-08b）和晶粒度（按照ASTM E112-96）等。取样位置分别为管体、承口端和插口端密封接头位置，承口端采用模具冷扩径成型。试验表明，夏比冲击结果、屈服强度、最大抗拉强度、伸长率、硬度和晶粒度都没有明显的变化。

AWWA C200标准规定当最小半径为15倍管体壁厚时，冷成型的承口端采用搭接焊接接头，因为纵向应力沿着完全受约束的搭接接头半径方向。轧制沟槽型无约束柔性密封接头不存在纵向应力，轧制沟槽可以成型的钢管最小壁厚为3.416 mm（10 gage）。

5.2 接头性能测试

多年来，对不同直径的钢管上轧制沟槽接头进行了测试，其中一些测试是1980年在西北管道公司的丹佛工厂（Denver,CO）进行的，测试结果见表1。其他工厂也进行了测试。

破坏性试验报告中钢管样品的失效是由于钢管在泄漏前超出了钢的屈服强度。从表1中测试结果可以看出，测试样品失效时管道压力达到了设计的2～3倍，甚至更高。

表1 轧制沟槽接头测试（西北管道公司1981，1985年）

5.3 偏转角度

轧制沟槽O型圈密封接头可以补偿或“拉出”最多25.4 mm（1.00 in），这允许在管道施工过程中钢管有小的偏移量。每个接头的最大允许偏转角度ɑ是有限制的，关系满足

表2给出了直径609.6 mm（24 in）及以上的管道允许的偏转角度。

表2 拉出25.4 mm（1 in）下的偏转角度（西北钢管公司2005年）

6 接头实际应用

轧制沟槽接头的质量和效果与承包商的安装操作有关。为使密封圈放置在轧制沟槽后，密封圈受到均匀拉伸，插入例如木楔或螺丝刀杆等钝器至密封圈下，绕接头旋转两周；垫层应均匀，回填过程中钢管应避免点载荷，这都是好的安装操作。接头处的钢管间要保证完全接触，这要求钢管圆度好，接头周向的间隙均匀。承插槽的“波纹效应”是由于滚压沟槽管壁横截面的转动惯量I的变化而引起的，这增加了理想刚度。

安装最关键的是确保O型密封圈在插口端插入承口端时不从轧制沟槽里面分离出来，在接头装配好后通过手持测隙规（塞尺）来确认密封圈没有从轧制沟槽中滚出并有合适的接头间隙。测隙规（塞尺）应插入到承口端下，对整个接头全周进行检查，保证接头接触连续并达到预先确定的深度。好的操作实践会降低在插口端插入承口端时密封圈被挤出的几率。如果发现密封圈被挤压，应拆开接头，拆掉O型密封圈，更换新的密封圈重新进行装配，并用测隙规（塞尺）进行检验。更完整的安装可以参考AWWA C604（2011）-安装指南。在正常敷设条件下，应使管道的承口端面向敷设方向。在将插口端安放就位前，应将承口彻底清洁，然后按管道制造商的建议涂抹润滑剂。

AWWA M11中建议密封接头钢管测试段在实际测试前24 h内充满水，如果采用水泥管等衬砌材料，会吸收大量的水。肉眼检查管道是否有渗漏，管道在测试压力小于等于实际工作压力、设计工作压力及该管道压力等级三者中最大值的125%（选择压力大者）情况下保压2 h。 AWWA M11设计手册中建议测试中对于使用O型胶圈连接密封的管道，允许有少量漏水，每24 h每英里管长对应于每英寸管径的漏水量为37.85 L（10gaga）。管道允许渗漏量应取决于管道所用的接头类型。

测试允许的漏水量根据管道材料特性不同进行调整，管道系统中任何初始不规则行为可能需要增加更多的水来维持现场静水压试验压力。水泥基材料的管道或水泥砂浆衬里钢管的初始吸水是独特性能材料的例子。异常测试段可能需要额外的水保持测试压力，原因包括气体的排出、钢管与其他附件包括阀门、龙头、配件间的错误连接，钢管与密封圈、配件之间的适当连接、接头约束系统装配的移位、温度变化、仪表不准确等。

7 轧制沟槽接头与卡内基式接头比较

卡内基接头与轧制沟槽接头的密封方式相同，二者都是经过长时间实践检验的。带O型密封圈的卡内基式接头开始于20世纪30年代，随着二战时期混凝土管道的出现，卡内基式接头在混凝土压力管道中使用，一直沿用至今。在钢管或混凝土管中使用卡内基式接头其本质上都相同。

卡内基接头的制造有几个步骤，承口端采用冷扩径成型而插口端焊接拼装（见图1（b））或承口端和插口端都利用焊接方式拼装。轧制沟槽接头和卡内基接头主要不同之处是轧制沟槽接头是一个完整结构，不采用焊接拼装，卡内基接头的插口端需焊接拼装。卡内基接头环的壁厚从3.416 mm（10 gage）至 15.875 mm（5/8 in）。卡内基接头的生产步骤：①从第三方购买卡内基形状的6.1 m（20 ft）长的热轧带钢原料；②将卡内基形状原料的带钢进行对焊并切割成合适的长度后，轧制成需要的直径；③将轧制的带钢两端焊接形成环状，直径比需要的略小；④在膨胀头上对卡内基环进行定径；⑤将卡内基环角焊至插口端钢管的端部；⑥对焊接质量进行无损检测（NDT）；⑦如果承口端接头需要焊接，采用相同的制造工艺，最后角焊在钢管的承口端，承口端无预成型的卡内基槽。

一些项目规格书要求管道材料与卡内基环的材料相匹配，这可能会带来一些问题，因为卡内基环的制造商可能会制造出不同于管体成分的带钢。对卡内基环制造商进行第三方收购则不经济。

轧制沟槽接头只能在焊缝焊透的螺旋焊接钢管上进行成型。如果钢管为复合材料的螺旋焊管，不允许在复合管端部采用冷成型加工轧制沟槽，除非去除较薄的衬层金属，因此卡内基接头是复合管的唯一选择。

8 结 语

轧制沟槽O型圈密封接头在北美已经有五十多年的成功应用经验。钢管在数千千米的输水及配送管道中应用良好。AWWA C200标准中钢制水管无约束接头采用轧制沟槽式接头，管道直径可达1 981.2 mm（78 in），最大工作压力1.72 MPa（250 psi），允许瞬时最大压力 2.59 MPa（375 psi）。钢管允许密封接头拉出量最大25.4 mm（1 in）。因为接头不需要购买或单独进行焊接，经济性良好。严格的质量控制确保了轧制沟槽接头的性能良好，达到了设计要求。承口端和插口端的冷成型不影响钢管的质量和强度，接头钢管的最小壁厚是3.416 mm（10 gage）。对不同直径钢管接头进行破坏性测试表明，在高于3倍工作压力情况下，管体先于接头破裂。

译自：NEAL KELEMEN,BRENT KEILl,RICHARD MIELKE,et al.Performance of Gasket Joints in Steel Pressure Pipes[C]//Pipelines 2011:A Sound Conduit for Sharing Solutions,ASCE:1278-1287.

Performance of Gasket Joints in Steel Pressure Pipes

Edited and Translated by XIAO Guozhang1，GAO Xia1,2
（1.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China;2.Chinese National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China）

Typical joints specified in steel pipe systems include the non-restrained rubber-gasket-type,restrained field-welded-type,flanges,couplings and expansion joints.Since joints are often perceived as the weak-link in a pipeline,it is important for engineers to have a clear understanding of the capabilities of a particular joint design,quality control practices followed during manufacture,and most importantly,a sound track record of its performance over many decades of use.Gasket-joints are the most common non-restrained jointing system specified not only for steel pipes but also for other commonly-used pipe materials.It is therefore important to have a clear understanding of their design and performance.The two main types of gasket joints permitted by the American Water Works Association(AWWA)Manual of Water Supply Practices M11-Steel Water Pipe:A Guide for Design and Installation includes the Rolled Groove type and the joint.The former is widely specified for pipe diameters up to 1 981.2 mm(78 in)and 1.72 MPa(250 psi)maximum working pressure,with an allowable maximum transient pressure of 2.59 MPa(375 psi),though larger diameters and higher pressures can also be accommodated.This paper primarily discusses various aspects of the rolled groove joint,but sufficient information is provided on the Carnegie to highlight both similarities and differences.

steel water pipe;gasket joint;rolled groove joint;Carnegie-type joint;bell end;spigot end;cold forming;quality control

TG335.75

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.014

肖国章（1981—），硕士，主要从事石油输送管及石油专用管的研究生产工作。

2017-06-30

编辑：黄蔚莉