卡压式机械连接器的密封性能分析及安装技术的应用

刘添锋

（福建省工业设备安装有限公司, 福建三明 365000）

油气输送管网因为外力破坏、自身材料老化或安装质量问题等因素的影响，不可避免会出现泄漏情况。以往的处理方式是先关闭泄漏点上游阀门，然后进行补焊，封堵泄漏点。但是这种作业模式会导致油气供应的中断，并且带有一定的安危隐患。近年来非焊接机械连接器在油气输送管道中得到推广应用，卡压式机械连接器就是一种应用较广、效果良好的快速修复工具。修复后的密封性能是评价卡压式机械连接器应用效果的重要指标，因此熟练掌握卡压式机械连接器的安装技术并在安装后开展密封试验至关重要。

1 卡压式机械连接器的密封原理与密封影响因素

1.1 密封原理

卡压式机械连接器主要由压力环、基体、密封压紧环3 部分组成。连接器安装时，提供一个外部的作用力使基体内部的密封压紧环在压力作用下径向收缩，进而嵌入到压紧环紧贴的管道表面，达到密封效果。根据其密封原理，可以看出要想保证密封效果，对密封圈的材质、性能有特殊要求，首先要求密封圈金属的垫片具有较强的压缩变形能力，可以保证在受到外力作用后，能够通过弹性变形压贴在管道上；其次要求密封圈金属具有较强的韧性和强度，防止在挤压变形时出现开裂等问题，也是保证密封效果的重要因素；最后是拥有回弹能力，在日常检修维护时，能够反复拆卸、安装，从而延长器件的使用寿命[1]。

1.2 影响密封性能的因素

结合卡压式机械连接器的工作环境和结构特点，其泄漏问题主要分为2 种类型，即界面泄漏、渗透泄漏。为了深入地认识影响机械连接器密封性能的因素，本研究设计了卡压式机械连接器的泄漏模型，见图1。

图1 卡压式机械连接器的泄露模型

该模型的体积泄漏率（L）、外漏间隙宽度（l）等因素有关，其表示式为：

式中：b 表示泄露间隙长度；p1和p2分别表示输送管道内部的输送压力、输送管道泄漏间隙的外部压力。由此可知，要想避免卡压式机械连接器的泄露问题，可以施加一个更大的外部荷载，让密封环与管道表面贴合的更加紧密，通过尽可能压缩两者之间的间隙达到杜绝泄露的目的。当然，卡压式机械连接器在实际应用中出现密封不良的情况，可能是多种因素共同导致的。除了压力不足、密封环或管道表面不够光滑外，像密封压紧环自身的金属疲劳问题，或者是金属挤压面的应力松弛现象，以及环境温度的变化等等，也都有可能影响机械连接器的密封性能。并且随着器件使用年限的延长，密封性能下降也会更加明显。

1.3 密封性能改善措施

为进一步提高卡压式机械连接器的密封性能，可采取以下几种辅助措施：其一是在管道表面与机械连接器的密封环之间涂抹密封胶。由于表面材料存在一定的粗糙度，决定了密封环与管道表面不可能做到完美贴合，在高压环境下介质可能会从两种材料之间的缝隙溢出。在接触面上涂抹一层密封胶，可以充填到两种材料之间的间隙中，对提升密封性能有显著作用。目前使用的一种铁锚604 液态密封胶，可以在高压（10 Mpa）、高温（600 ℃）环境下仍然保持性能稳定，适合卡压式机械连接器的密封处理要求[2]。其二是在密封压紧环的表面包裹金属片，密封压紧环为了保证足够的刚度，通常选择硬质金属或合金，长期使用后容易出现严重磨损。在密封压紧环表面包覆一层耐磨蚀、耐高温的金属薄片（如铝、钛等），既可以保证密封压紧环表面足够光滑，阻断泄露通道，同时又能延长其使用寿命。

2 卡压式机械连接器的安装技术

2.1 安装过程

连接器两侧的管道需要完成预装配，将压力环分别套在需要对接的两条管道的管口处，并使用定位环进行定位。将管口对齐后，利用外部动力源提供动力，推动压力环由外向内移动，直到连接器两侧的压力环碰撞、对接。继续提供外部推动力，防止压力环分开；然后张开安装工具，旋转180°后使两个压力环咬合在一起，撤去安装工具，即可完成两条管道的机械连接。

2.2 安装工具的选型

2.2.1 安装工具的结构形式

卡压式机械连接器的安装效果是决定密封性能的主要因素，并且由于该装置处于高温、复杂环境下运行，给安装也增加了难度。因此，在安装作业时必须要借助于专门的工具，从而安全、快速、可靠地完成安装。本研究结合卡压式机械连接器的结构特点、运行环境，设计了一种安装工具，满足以下要求：可提供足够大的加载力，保证在管道的日常维护或应急维修时，能够快速加载安装连接器；可适应一些特殊工况（如高温），保证安装作业的连续性；采用分开式结构，方便快速组装并投入工作状态。从结构组成上来看，该安装工具的主要功能部分有2 个，即开合结构与加载结构。其中，开合结构可以使该安装工具张开一定角度（0°～180°），张开后能够将整个连接器包裹，闭合后即可锁紧连接器，形成一个省力杠杆，为后续压力环的对接提供良好条件[3]。加载结构的作用是提供外部的推动力，使位于两个管道端口上的压力环能够顺利对接、咬合。

2.2.2 安装工具的结构设计

卡压式机械连接器在安装时，除了要克服压力环移动时的摩擦力外，还必须克服基体压缩变形时的反作用力。因此要想保证机械连接器能够成功连接并且保证密封良好，需要提供足够大的加载力。为了确定加载力，设计了压力机加载试验，试验装置见图2。

图2 压力机加载实验示意

搭建好试验装置后，分别用上、下套筒夹住连接器，启动压力机，开始进行加载。试验人员密切关注压力机表盘示数，持续增加压力，直到卡压式机械连接器能够完成安装，记录下此时的压力表示数，即为最大加载力。在实际安装中，除了施加足够大的外部加载力外，还必须考虑活塞杆的承受能力，避免加载力超过活塞杆的受力极限而出现杆体断裂的情况。本次试验中所用的活塞杆材料为20CrMnTi，强度极限超过1 000 Mpa，屈服极限达到820 Mpa，完全能够满足试验需要。

2.3 安装工具的液压动力源

液压系统是压力机加载力的动力来源，其核心装置为液压泵，可以通过机械做功的方式产生强大的压力，从而在液压油的作用下推动液压元件做功，实现动力输出。液压动力源的回路设计见图3。

图3 液压系统原理

结合图3，液压动力系统的运作方式为：系统启动运行后，液压泵加压并达到设定的压力值后，打开阀门，在强大的压力推动下液压油涌入换向阀，经换向阀流出进入到节流阀。在节流阀处调控液压油的流量，并通过多发阀门口进入到对应的液压缸中。完成供能后的液压油进入到回油路，并通过两位两通换向阀从另一侧流回油箱内。在液压系统运行期间，压力表会实时采集该系统的压力数据，当出现过载情况后，利用溢流阀排出部分液压油从而达到降压效果。在设计液压系统时，需要重点关注以下两项参数：其一是液压泵的工作压力，要求最大工作压力值PMax不得低于液压执行元件的最大工作压力P 和进油路上总压力损失P0，即：

对于管路比较简单、流速较小的情况，∑P0通常可以取1.0～1.2 Mpa；该试验中P 为30 Mpa，故液压泵的最大工作压力不得低于31.2 Mpa，考虑到实际运行中还会存在管壁摩擦阻力，以及加载力波动变化等因素的影响，需要留出一部分裕量，因此最终确定PMax为32 Mpa。其二是液压泵的最大供油量QMax，该值主要与液压泵本身的最大流量（Q1）和液压系统的泄露系数（β）有关，其关系式为：

这里的β 取1.2，该系统中液压泵的最大流量为2.8 L/min，故最大供油量不得低于2.8×1.2=3.36 L/min。基于上述计算，最终选择了A7V28 型轴向柱塞泵，其性能参数见表1，可以满足卡压式机械连接器安装的需要。

表1 A7V28 型液压泵的基本参数

3 卡压式机械连接器安装后的气密性试验

3.1 试验方法

使用上述安装工具完成卡压式机械连接器的安装后，还要检验连接器的密封性能是否达标。为此，本研究设计了一项气密性试验，试验装置主要包括高压氮气瓶、氮气减压阀（可调范围0～10 Mpa）以及压力表等[4]，整个装置的组成见图4。

图4 气密性试验装置

试验开始后，首先按照上图所示将各台设备连接起来，完成组装后调节压力表，设定压力参数为0.4 Mpa 后启动设备并充入高压氮气，此时装置压力开始上升，达到0.4 Mpa 后停止。保持此压力不变，使用毛刷蘸取少量肥皂水，分别涂刷该装置的各个管口，观察有无气泡，如果有说明气密性差；无气体泄漏情况，继续升压，每次升高0.4 Mpa。每升高一级压力，涂刷一遍肥皂水并检查气密性，重复此操作直到压力达到4.0 Mpa[5]。最后缓慢卸压，拆除试验装置。

3.2 试验结果

本次气密性试验的结果统计见表2。结合上表信息可知，在10 个试验压力等级下，均未出现压力下降和气体泄露的情况，并且连接器与管道之间的相对位移均不超过要求的0.1 mm，说明卡压式连接器安装运行后，在运行压力不超过4.0 MPa 的情况下密封效果良好。

表2 气密性试验结果

4 结论

密封性能是评价卡压式机械连接器应用效果的核心指标，但是由于结构复杂、运行环境特殊，在安装期间经常会出现质量瑕疵，进而影响密封效果。根据以往的设备维护与检修经验，密封压紧环疲劳、材料应力松弛等是导致密封失效的常见原因。基于此，在卡压式机械连接器的安装中，一方面要挑选符合安装要求的材料、器件，另一方面又要选择合适的安装工具、熟练掌握安装技术。本研究设计的一种由液压系统提供动力，推动两侧压紧环对接咬合，从而实现管道连接的卡压式机械连接器，经过密封性能试验验证，当系统压力在4.0 Mpa范围内，可保证良好的密封效果，能够满足管道连接与运行的需要。