內螺紋配合金屬螺栓密封結構的失效原因及改進方法

宋偉強

（錦州新錦化機械制造有限公司，遼寧 錦州 121000）

在工業中，為了防止液體泄漏，通常采用內螺紋配合金屬螺栓進行非接觸式動密封。密封內螺紋的接頭通常采用API改進型螺紋牙型，配合金屬螺栓實現密封的完整性。隨著工業上腐蝕性液體的增多，以往的內螺紋配合金屬螺栓的密封性能已經不能滿足工業需求，這就需要提高內螺紋牙型的加工精度[1]。但是由于加工過程中，受到工藝的限制，導致螺紋牙型不精準，導致螺紋密封失效。因此，需要設計一種新的內螺紋的加工工藝，配合金屬螺栓實現密封。對粗車鏜孔走刀路線和密封面精車走刀路線重新設計，縮短空走行程減少誤差，增加高分子密封圈嚙合外螺紋，利用安放式接管取代放空口的螺紋連接，使螺紋拆卸方便不易磨損，延長使用壽命，至此完成內螺紋配合金屬螺栓密封結構加工工藝的設計。

1 內螺紋配合金屬螺栓加工工藝設計

1.1 設計走刀路線

內螺栓加工的走刀路線分為粗車鏜孔走刀路線和密封面精車走刀路線，粗車鏜孔工序是加工螺紋接頭接箍的重要工序，直接影響精車加工和螺紋加工的質量。傳統工藝中，兩種走刀路線都有一定量的的空走行程[2]，不僅降低加工效率，而且會增大誤差。根據粗車車削的形狀和尺寸對粗車走刀線路進行設計，如圖1所示：

圖1 設計的粗車走刀路線

將原來的粗車循環程序改為非循環直接兩次進刀，背吃刀量為5.2mm，G01直線插補，兩次車削線路為：o→a→b→c→d；d→e→f→g→h→d；第二刀的車削后直接車削jo部分，完成一次車削：d→i→j→o。這樣改進之后，縮短了空走行程，減少了誤差 。

密封面精車走刀路線也使用同樣的方法進行設計，精車切除部分的輪廓曲線形狀特殊，循環走刀空程較多。根據切除部分的形狀，設定每次切削走刀行程，設定進刀量為1.0mm[3]，最后一刀根據切削輪廓的實際情況走刀。經過對走刀線路的重新設計，提高了螺紋的加工精度，保證機緊后管端至接箍中心沒有縫隙，至此完成了內螺紋加工走刀路線的設計。

1.2 增加密封圈

在應用新的走刀線路之后，在對套管兩端上扣時，能實現管端對頂、內壁的齊平。在這樣的高精度加工的前提下，為進一步提高密封性，在本文設計的新型螺紋結構中，增加密封圈來保證螺紋的密封性。密封圈利用特殊高分子材料制作，具有彈性好、強度高的特點。在接箍之間利用高分子密封圈進行連接，能夠依靠高彈性密封圈與套管螺紋的過盈配合實現密封[4]。密封圈的放置位置是金屬螺栓接箍中部的密封槽中，密封圈高彈的特點能使它發生大幅度形變，能夠填充螺紋齒頂和齒底之間能夠泄露的通道，保證外螺紋與密封圈嚙合，將API圓螺紋非接觸式動密封變成了接觸式密封，提高密封可靠性。

1.3 改變螺紋連接方式

當多次拆卸密封螺紋時，也會磨損螺紋導致密封失效。為了解決這個問題，需要改變螺紋的連接方式，使螺紋在安裝拆卸過程中，最大程度的減少磨損。將放空口的螺紋連接改為安放式接管+盲法蘭連接，安放式接管的結構見下圖：

圖2 安放式接管結構圖

安放式接管的特點在于：結構開放，焊接面積小，在進行檢測時不容易被損壞。將接管與管板進行焊接之后，對接管進行加工，直至達到最終內徑，除去未焊透的部分，保證留下的接管與管板完全焊接[5]。安放式接管+盲法蘭的連接方式方便拆卸，且不容易出現磨損，保證了密封螺紋在使用過程中的密封性。至此完成了內螺紋配合金屬螺栓密封結構加工工藝的設計。

2 實驗

為了驗證設計的加工工藝的可靠性，需要設計對比實驗。隨機選取傳統工藝加工的密封螺紋和本文工藝加工的螺紋各100個，并在實際工業應用中記錄其密封失效的情況，實驗結果如下表所示：

表1 實驗對比結果

密封螺紋的對比實驗周期設計為一個月，在密封螺紋使用的第一天出現密封失效，主要原因就是因為在加工過程中螺紋牙型不精準導致的，在后期的使用過程中，主要是因為拆卸過程中螺紋受到磨損而出現密封失效。傳統工藝加工的螺紋在第一天的使用時的失效率為2%，一個月后的總失效率為24%，本文設計的工藝加工出的螺紋，使用第一天的失效率為0%，一個月后的總失效率為11%，實驗結果可以證明本文設計的密封螺紋加工工藝是可靠有效的。

3 結束語

傳統工藝加工的金屬螺栓螺紋牙型不精準導致螺紋密封失效，因此提出一種新的密封螺紋加工工藝。對粗車鏜孔走刀路線和密封面精車走刀路線重新設計，縮短空走行程減少誤差，增加高分子密封圈嚙合外螺紋，利用安放式接管取代放空口的螺紋連接，使螺紋拆卸方便不易磨損，延長使用壽命，至此完成了內螺紋配合金屬螺栓密封結構加工工藝的設計。通過對比實驗結果顯示，本文工藝加工的密封螺紋失效率比傳統工藝加工的失效率降低13%，驗證了設計的工藝的可靠性。