承插式柔性鋼管密封結構設計與試驗*

戚祝暉， 葛 云， 陳 飛， 蔡文軍

（1. 石河子大學 機械電氣工程學院， 新疆 石河子832003；2. 石河子開發區天浩管業有限責任公司， 新疆 石河子832014）

0 前 言

地下管道主要用于輸送天然氣、 石油、 水、蒸汽等， 是城市供水、 供氣等生命線工程的重要組成部分[1]。 影響鋼管的應用和質量的主要因素一是鋼管的防腐處理， 二是鋼管的安裝連接方式。 對于大直徑鋼管的連接， 鋼管連接接口是薄弱環節。 管道接口連接方式主要有三種： ①對頭環焊連接方式； ②承插連接方式； ③熱熔連接方式。 對頭環焊連接方式和熱熔連接方式因其采用現場熱處理方式連接， 還需進行防腐等保護處理， 造成了施工周期長、 連接要求高、 操作復雜的情況， 嚴重影響鋼管在輸水管道領域的應用。 承插連接方式因其有效加快了現場輸水管道對接安裝速度， 因而逐漸受到重視。 柔性承插連接接頭只需將橡膠圈放置在插口槽內， 用液壓缸或其他引導器械將插口端引入承口端即可， 同時承插式柔性接口可使地下管網呈鏈狀構件， 能減緩地質應力使管道斷裂的問題。 然而承插柔性接口也有其局限性， 為了防止管道縱向拉脫， 需要設計基墩與限制性接口， 如PCCP 的鎧裝接口、 球墨鑄鐵管的自錨型接口、玻璃鋼管和PVC 管的帶鍵槽接口等。 開發和設計適應鋼管自身特點的承插柔性接口將有利于鋼管在輸水管道領域的普及和應用。 因此， 合理設計承插式管道柔性接口結構， 開發承插式鋼管柔性連接和安裝工藝有著一定的研究意義。

1 承插密封形式

近十年來， 國內輸水鋼管根據其它輸水管道的接口形式 （PCCP、 球墨鑄鐵管和玻璃鋼管），開發了多種鋼管承插柔性接口。 常見的承插式鋼管密封結構如圖1 所示， 大致可以分為以下4 種： ①軋槽式柔性連接； ②卡內基式柔性連接； ③滑入式柔性連接； ④機械式柔性連接。

圖1 承插式鋼管柔性密封結構示意圖

軋槽式連接和卡內基式連接， 是美國水行業協會 （AWWA）[2-3]允許使用的兩種承插式連接。軋槽式連接形式如圖1 （a） 所示， 鋼管一端壓塑冷變形成插口， 另一端擴徑成承口， 通過擠壓插口槽處橡膠圈達到密封的效果， 制造中對鋼管壁厚有一定的要求， 若鋼管壁厚過大， 則難以用冷加工方式獲得。

卡內基式接口彌補了軋槽式柔性接口在厚壁鋼管制造中的不足， 如圖1 （b） 所示， 承插結構與鋼管主體并不是一體， 而是在出廠前將成型好的承插件焊接在鋼管兩端， 以形成承插結構。 可以是承口擴張， 插口焊接， 也可以是承口焊接，插口擴張。 然而二次焊接一定程度上增加了工藝的復雜性， 焊接完成后需對其焊縫進行探傷檢測。

滑入式柔性連接結構如圖1 （c） 所示。 先將橡膠圈嵌入承口管道凹槽內， 再用專用工具將插口管道推入承口管道中。 該種接口不能承受軸向力， 為防止管道滑脫， 需要在管線的拐彎處設置承受軸向力的基墩[4]。

上述3 種方式是靠承口及插口的尺寸使膠圈壓縮產生接觸壓力形成密封， 而機械式柔性連接采用壓環、 螺栓壓緊裝置， 靠的是壓環的作用使膠圈產生接觸壓力形成密封， 密封性較好， 其結構如圖1 （d） 所示。 通過松動緊固螺栓， 拆下壓環， 再更換膠圈， 進而消除管道接口處滲漏風險， 但螺栓易腐蝕， 影響其密封性。

以上4 種類型接口均會用到密封圈， 密封圈緊固在溝槽里， 當鋼管移動或水壓測試時需保證不會露出， 且在任何工作狀態下， 連接處必須保證水密封。 為測試水密封性能， 需要將全部管道安裝完畢或者分段安裝后進行分段試壓， 造成水資源浪費， 且作業復雜， 于是便有了雙槽密封的承插模式[5]， 如圖2 所示， 主要應用于PCCP 管鎧裝等連接， 其將原有單道密封圈改為相隔一定間距的雙密封圈， 并在中間處開小孔， 完成水壓密封性能測試。

圖2 雙槽密封承插形式示意圖

2 承插密封結構及工藝設計

2.1 雙槽雙膠圈柔性直口承插密封工藝結構

本研究針對DN219 mm～DN1 620 mm 螺旋焊管承插口進行設計制造， 采用雙槽密封承插形式， 對接口進行改進和優化， 縮短安裝周期和水資源消耗。 由于鋼管運行時其自身重量或地面沉降， 均勻支持狀態會有一定破壞， 會使密封圈各處壓縮量不同， 在某些局部就會出現較大的彎曲應力， 影響使用壽命， 為了使密封圈在圓周方向上壓縮量大體一致， 同時也可使對接鋼管成一定的角度， 本研究設計了雙槽雙膠圈柔性直口承插密封工藝結構[6]， 如圖3 所示。 插口鋼管承力臺肩處壁厚較大， 對其局部進行熱處理， 增大其承受的彎曲載荷范圍， 在制造時需考慮不同管徑對不同臺肩角度的要求。 承口鋼管直接采用擴口工藝， 從而節約成本， 簡化工藝。

圖3 雙槽雙膠圈柔性直口承插密封工藝結構示意圖

2.2 密封圈的規格選擇

2.2.1 密封圈截面形狀的選擇

密 封 圈 截 面 形 狀 有T 形、 O 形、 方 形、 X形等。 T 形密封圈耐震動性好， 常用于中低壓管路和輕載旋轉密封的場合， 且經常與擋圈合用； O 形密封圈是使用最廣泛的一種， 有自密封作用， 且尺寸和溝槽已標準化， 廣泛應用于水壓、 液壓、 氣壓各種管路中； 方形密封圈摩擦阻力大， 制作方便， 但安裝難度相較于O 形較大； X 形密封圈摩擦阻力小， 常用于旋轉運動的場合。 大直徑承插口柔性密封管線對接時，承口對密封圈有一個軸向的水平推力， 這個推力易使密封圈扭轉或滑脫[7]， 要求密封圈頂部要圓滑， 使對接時過渡平穩； 管線運行時鋼管工作壓力較高， 大直徑輸水管道水壓測試要求在3 MPa 左右， 因此不管是對接時， 還是運行時均要保證密封圈與密封槽側壁有較好的接觸，以減小密封圈的滑動量， 密封圈底部要平滑。綜合考慮安裝成本、 可靠性等方面， 最終選用非標O 形密封圈。 其截面形狀接近梯形， 上窄下寬， 表面有弧度， 如圖4 所示。

圖4 非標O 型密封圈截面形狀

2.2.2 密封圈截面高度的確定

密封圈安裝時， 為保證密封圈不滑動脫落以及密封圈與密封槽側壁緊密接觸， 需要預緊密封圈， 其截面高度會因彈性變形減小， 使得密封圈壓縮量達不到設計要求。 但若選擇密封圈高度太大， 壓縮率相應增大， 使得密封圈發生永久變形， 密封性能下降， 因此需要結合密封圈材料屬性、 承口和插口尺寸公差以及承插管道安裝允許變動量， 合理選擇密封圈高度。密封橡膠圈在密封介質為油、 靜密封形式下，壓縮率要求在15%～25%[8]。

密封圈的斷面總壓縮量δ 與密封圈原高度比稱為壓縮率K， 即

式 （1） 中的壓縮量δ 通常表示為

式中： d0——密封圈自由狀態下的斷面高度， mm；

D′——缸徑或溝槽外徑， mm；

d′——溝槽底徑或活塞桿高度， mm；

H——密封槽高度， mm。

以DN800 mm 鋼管為例， d′=820 mm， 承口與插口間隙配合采用推薦配合形式為H9/d9。 承口模具設計擴張承口內徑D′=850 mm， 則密封槽高度H=30 mm， 若要使得15%≤K≤25%，則密封圈在自由狀態下的斷面高度d0應在30～40 mm。 考慮密封圈因預安裝高度的損失以及雙溝槽前后密封槽在實際工況下的變動范圍，取d0=38 mm。

2.3 承插式柔性鋼管制造

由于螺旋焊管管件質量大， 應避免承插頭因自身重量造成的制造誤差， 為提高承插頭的生產效率， 降低制造成本， 在保證承插頭使用強度的情況下， 采用冷壓工藝制造， 冷壓制造設備采用液壓缸為冷壓動力源， 采用高性能鋼作為模具材料。 為了方便實現冷壓制造與實地快速安裝， 管端焊接有管道對接用的吊耳[6]，用二氧化碳保護焊方式進行局部補強處理并進行100%MT （磁粉探傷） 無損探傷評定， 隨后進行表面涂覆保護。 承口、 插口鋼管效果如圖5所示。

圖5 承口與插口鋼管效果圖

3 密封性能試驗

為了進一步驗證承插式柔性鋼管安裝性能，2020 年6 月8 日在新疆維吾爾自治區石河子市天浩管業有限責任公司示范基地， 進行密封性能試驗， 試驗設備和儀器包括： 液壓安裝設備（380 V-8.8 A-4 kW）、 軸向柱塞泵 （公稱排量25 mL/r）、 液壓桿 （拉力為30 t）、 手搖試壓泵（壓力值70 kg）、 壓力表 （0～4 MPa， 最小刻度0.02 MPa）、 秒表等， 試驗現場照片如圖6 所示。

圖6 承插式柔性鋼管密封性試驗現場照片

參考《給水排水工程埋地承插式柔性接口鋼管管道技術規程》[9]， 供水管道密封性試驗操作步驟為： ①對已涂有食用油以及安裝三元乙丙密封圈 （硬度50HS） 的承口和插口進行定位， 通過液壓伸縮桿使承插口連接； ②打開注水口與排氣口， 安裝打壓測試裝備， 將溶液注入密封環內， 使得密封環內的壓降與大氣壓力相等， 持續1 min， 確保內部空氣排出密封環； ③關閉排氣口， 壓力慢慢上升， 每升壓0.5 MPa 需進行排氣測試， 直至將壓力升至試驗壓力， 試驗壓力保持恒壓2 min， 期間如有壓力下降可注水補壓，但壓降不得大于0.03 MPa 且不得高于試驗壓力，檢查管道接口處有無滲漏現象， 如有滲漏現象應中止試壓， 并查明原因采取相應措施后重新組織試壓； ④上述步驟完成后， 應立即停止注水補壓， 5 min 后觀察壓力表， 數值下降幅度小于0.01 MPa 則密封合格， 否則為不合格。 承插式柔性鋼管安裝密封性打壓試驗， 試驗對象為承插式柔性低壓鋼管， 設計壓力Fwd≤2.5 MPa， 試驗壓力Ft=Fwd+0.5=3 MPa， 測試的50 處承插柔性接口均符合管道密封性行業標準。

4 總結與展望

本設計采用的雙槽雙膠圈柔性直口承插密封工藝結構以及密封圈規格的選取方法， 通過密封性試驗驗證， 可滿足管道密封性行業標準和企業項目需求， 同時與研發的配套承插口制造和快速安裝設備， 加快了制造和安裝速度， 形成了一套完善的工藝鏈。 目前工藝結構與相關制造安裝設備已擁有專利保護， 并在具體項目中開展應用。隨著3D 打印技術、 形狀記憶合金等新技術的開發與應用， 承插密封工藝結構形式將越來越多樣化。