溝槽式卡箍對接長金屬濾袋的設計

陳美琴

（閩西職業(yè)技術學院，福建 龍巖 364000）

1 研究目的

我國工業(yè)快速發(fā)展給國家?guī)砹税l(fā)展的同時，也對環(huán)境造成了嚴峻的考驗。為了降低因工業(yè)發(fā)展而造成的環(huán)境污染問題，除塵設備得到了廣泛的應用。為了滿足國家環(huán)保標準要求，圓筒形金屬濾袋在除塵設備中作用越來越明顯[1]。而長金屬濾袋因耐高溫，耐腐蝕，重復利用等優(yōu)點，廣泛應用于冶金、煤炭等行業(yè)中。長金屬濾袋的對接結(jié)構目前多采用法蘭盤連接和螺栓連接，但法蘭盤連接存在安裝時螺栓數(shù)量多，工作效率低的缺點，螺栓連接方式容易造成上下兩節(jié)金屬濾袋同軸度難保證。

卡箍也經(jīng)常被廣泛應用于工程機械、汽車等輸送流體介質(zhì)的設備中。而且卡箍連接占用的空間也比較小，據(jù)統(tǒng)計，對于一定的外徑的管道，同樣使用法蘭和卡箍連接管道，溝槽式卡箍安裝所需的空間大約為法蘭連接的70%[1]。從1998 年，卡箍連接方式開始研制開發(fā)到現(xiàn)在，經(jīng)過多年的開發(fā)和應用，管道連接常用的法蘭盤連接和螺栓連接方式已經(jīng)逐漸被取代了。不但技術上更顯成熟，市場也普遍認可，而且得到了國家法規(guī)政策的積極引導?？ü窟B接技術的應用，使復雜的管道連接工序變得簡單、快捷、方便，使管道連接技術向前邁了一大步[2]。溝槽式卡鏈連接在消防管道系統(tǒng)中應用較多，直徑最大到200mm，工作壓力最大到2.5MPa[3]。卡箍是一種緊箍對接快接頭的連接裝置，一般帶有墊片用于連接帶溝槽的管路，其密封性強，安裝簡便。本文針對在除塵設備長金屬濾袋對接結(jié)構中的應用，做出分析及設計。

2 卡箍的設計思路

卡箍按結(jié)構形狀可分為：用鋼絲環(huán)繞成環(huán)狀的卡箍以及鍛造成形的卡箍[4]。其主要材料:碳素彈簧鋼絲，不銹鋼彈簧線，磷銅彈簧絲等。本文結(jié)合除塵設備金屬濾袋的結(jié)構特點，對使用于金屬濾袋對接的鍛造成型的卡箍進行分析設計。

由于某除塵設備中的長金屬濾袋要求為8 米長，因此分為上、中、下三段運輸，到現(xiàn)場進行對接安裝。為了降低工人的安裝強度以及工作效率，同時考慮到設備維護的便利性，急需一種新的連接結(jié)構來實現(xiàn)。金屬濾袋的工作環(huán)境為高溫煙氣（400℃），材質(zhì)采用304 不銹鋼，要求氣密性強且安裝方便，效率高。針對現(xiàn)有的對接結(jié)構存在的問題，提出一種新型的對接方式——溝槽式卡箍對接裝置，在方便保證同軸度的同時，減小螺栓的數(shù)量，大大提高了工作效率。

2.1 結(jié)構設計

金屬濾袋目前常用的連接方式是法蘭盤連接（如圖1 所示）和螺紋連接（如圖2 所示），其特性為同軸度難保證，螺栓數(shù)量大，現(xiàn)采用溝槽式卡箍連接，其密封性強，結(jié)構簡單（如圖3 所示），安裝方便，性能良好。

圖2 金屬濾袋螺紋對接結(jié)構

圖3 溝槽卡箍結(jié)構圖

設計在對接金屬濾袋結(jié)構時，把溝槽卡箍卡在上下兩端金屬濾袋的接頭處，并在金屬濾袋兩個接頭處做成喇叭狀管道，并在管道上設置環(huán)形槽，用于連接溝槽卡箍（如圖4 所示），從而保證管道在軸向拉力的作用下不被拉開的同時還能保證管道連接處的氣密性?？ü恐恍枰o一根螺栓，與法蘭盤相比緊固簡單、方便可靠。上下兩對接結(jié)構間隙密封靠被壓緊的橡膠圈來實現(xiàn)，結(jié)構示意如圖1 所示。

圖1 金屬濾袋法蘭對接結(jié)構

圖4 溝槽卡箍連接圖

密封圈采用C 型結(jié)構，利用密封圈自身的壓力緊緊壓在卡箍內(nèi)側(cè)，從而保證金屬濾袋對接結(jié)構的氣密性。將橡膠密封圈的尺寸設計略大于對接管道外側(cè)和卡箍內(nèi)側(cè)形成的內(nèi)腔，當卡箍的螺栓擰緊后，將進一步擠壓橡膠圈，從而進一步加強對接結(jié)構的氣密性。

2.2 卡箍材料

卡箍采用304 不銹鋼，為06Cr19Ni10，密度為7.93 g/cm3，耐高溫，適合用于800℃工作環(huán)境，而且具有較高的韌性和良好的加工性能的特點[5]。

C 型密封圈采用耐高材料，適用于400℃的高溫工作環(huán)境。

2.3 卡箍結(jié)構尺寸設計

金屬濾袋的直徑D=160mm，因此卡箍最大外徑不能超出160mm，則卡箍的螺栓連接處直徑可取為155mm，卡箍最大外徑尺寸為135mm，除塵設備工作時所產(chǎn)生的煙氣壓力0.1MP，振打抖灰時0.35MP，則軸向力計算為[5]：

Q 為煙氣的軸向力；D 為金屬濾袋的直徑；Pg煙氣壓力取較大值0.35MP，G 為濾袋重量，包括籠骨及濾袋兩部分重量，第一節(jié)金屬濾袋與第二節(jié)金屬濾袋的對接結(jié)構承受第二節(jié)和第三節(jié)金屬濾袋的重量，以此取兩節(jié)金屬濾袋的重量60N

上式中B 為卡箍溝槽與對接環(huán)的對接環(huán)形面積，溝槽寬度取2mm，對接環(huán)外徑取120mm，304 不銹鋼的許用應力[6][δ]=137MP，E≤[δ] 則卡箍尺寸設計安全。

根據(jù)溝槽的寬度不同值，計算得出如表1。

表1 溝槽參數(shù)設計

對接管的為了與溝槽卡箍連接，設計了溝槽，則在溝槽處對接處的管壁會變薄，則需對此處的應力進行分析。管道槽深一般在1.6-2.7mm。

上式中P 管道承受的壓力，C 管道壁厚的附加量，D管道外徑，δ 減薄后壁厚率，[ε]材料的許用應力。

除塵設備工作時，最大工作壓力為0.35MPa，對比以上數(shù)據(jù)，可知該尺寸是符合要求的。

密封圈尺寸取略大于正常尺寸，金屬濾袋對接結(jié)構外徑為122mm。

2.4 卡箍緊固件尺寸分析

金屬濾袋的對接不僅要求安裝簡單，維護方便，因此選擇卡箍的固定方式采用螺栓螺。螺栓螺母的連接不僅對工人的操作能力要求較低而且應用廣泛。一個卡箍連接件僅需要兩個螺栓連接，跟金屬濾袋目前的對接方式——法蘭盤相比較，在數(shù)量上大大減少了，從而也降低了工人的工作量和經(jīng)濟成本。溝槽式卡箍螺栓主要受到拉力，屬于受拉連接，因此分析螺栓受拉情況下的強度和預緊力。

在連接金屬濾袋結(jié)構時，卡箍受到金屬濾袋對它的徑向力和軸向力，而影響卡箍緊固件螺栓的軸向力則是卡箍受到的徑向力，則螺栓總拉力為F'=F0+F,則螺栓的設計計算為：

F’螺栓受到的總拉力；

d1螺栓的最小直徑；

[σ]螺栓的許用應力。

在分析螺栓軸向力時，將卡箍的徑向力模型進行簡化成矩形受力面，又因金屬濾袋在振打時的壓力值最大為3.5MP，則卡箍受到的徑向力為：F=A×p=120×20×3.5=8400N 一個卡箍上有兩個螺栓，因此每個螺栓受到的拉力為總拉力的一半，則F’=8400/2=4200N，查表，根據(jù)螺栓材料[6]σs=314MPa，并查得s=4～3，取s=3，許用應力[σ]=315/3=105MPa

查螺栓標準，選用M12 的螺栓。

3 設計結(jié)構合理性分析

該卡箍結(jié)構的特點：除塵設備工作時，高溫高壓的煙氣流經(jīng)金屬濾袋時所產(chǎn)生的軸向力加壓在卡箍上，而產(chǎn)生的徑向力則加載在螺栓上，而徑向力遠小于軸向力。當采用法蘭盤來對接長金屬濾袋時，高溫高壓煙氣所產(chǎn)生的軸向力全部加載在螺栓上。因此卡箍結(jié)構的受力強度比法蘭盤的受力強度高。

氣密性強：密封圈采用C 型結(jié)構，實現(xiàn)了三重保證（如圖5 所示）。第一重：密封圈本身的密封作用；第二重：鎖緊卡箍后，卡箍壓緊C 型橡膠密封圈，進一步加強了氣密性；第三重：除塵設備工作時，流經(jīng)的煙氣進入C 型內(nèi)腔，其加壓在C 型橡膠密封圈的密封唇上，使密封圈緊緊壓在對接件的管壁上，從而形成了自密封。其泄露率遠遠低于螺紋連接。

圖5 密封圈加壓示意圖

安裝簡便、快速。當金屬濾袋采用法蘭盤連接時，螺栓數(shù)量多，大大增加了工作負擔；如果采用焊接結(jié)構時，在現(xiàn)成安裝不僅不方便，而且增加風險，同時拆裝時必須破壞原有的焊接結(jié)構，無法重復利用。卡箍結(jié)構只需要擰緊一個螺栓，大大減輕了工作量，而且在拆裝維修時無需破壞原有的結(jié)構，不僅安裝簡單快速，而且可重復利用，便于維修。

4 結(jié)論

本文針對已有的長金屬濾袋對接的不足，提出了新的設計方法思路，通過溝槽式的卡箍結(jié)構來實現(xiàn)上下兩節(jié)金屬濾袋的對接，利用C 型密封圈的工作特性，保證了金屬濾袋的氣密性的需求，保證了金屬濾袋在工作過程中不漏灰的需求，以此同時大大降低了金屬濾袋對接的工作量。希望該設計思路對除塵環(huán)保設備中的金屬濾袋設計者提供一定的參考價值。