卡壓式銅合金管件的研究現(xiàn)狀及發(fā)展展望

潘一帆，原晨巖，苑 偉，付利國，陳利陽

（中國船舶集團(tuán)有限公司 第七二五研究所，河南 洛陽 471000）

1 前言

銅合金憑借其優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐蝕性能等，廣泛應(yīng)用在電力、石化、艦船、建筑等各大領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)上，銅合金管道的連接方式有焊接連接、螺紋連接、法蘭連接等[2]，隨著時代的發(fā)展，卡壓式連接逐漸興起。卡壓式連接是使用卡具卡壓管件，管件利用自身的剛性使端部U 型槽內(nèi)的O 型密封圈壓縮變形產(chǎn)生可靠的密封效果，形成永久性的連接[3]。卡壓式銅管件逐漸應(yīng)用于船舶領(lǐng)域，有一系列優(yōu)點(diǎn)[4]：①卡壓式連接是依靠銅管的塑性變形而實(shí)現(xiàn)密封，材料表面層完整，管道的使用壽命高；②卡壓式連接方式簡單，不使用火源，安全高效；③卡壓式連接可以使材料壁更薄，更節(jié)省材料；④在傳統(tǒng)的焊接連接、螺紋連接、法蘭連接均無法使用時，可以使用卡壓式連接。

2 結(jié)構(gòu)原理

2.1 組成結(jié)構(gòu)

卡壓式銅合金管件由管件體和O 型密封圈組成，如圖1 所示。管件端部有承口，承口內(nèi)放置起密封作用的O 型密封圈，此密封圈有良好的耐溫性能和耐壓縮永久變形性能等。O 型是指密封圈的截面形狀，在所有形狀中具有最佳的彈性，優(yōu)良的彈性確保了有效的壓縮比，有效的壓縮比是保證密封的先決條件。氯化丁基橡膠、三元乙丙橡膠是O 型密封圈的常用材料，如表1 所示。丁晴橡膠（NBR）是耐油性（尤其是烷烴類）、耐老化性、耐磨性、耐熱性能好，粘結(jié)力強(qiáng)的合成橡膠。國外的卡壓式管件采用丁晴橡膠（NBR）作為O 型密封圈的材料，在燃?xì)狻⑷加拖到y(tǒng)上已使用大約30 年，目前來看效果優(yōu)良。

圖1 卡壓式銅合金管件結(jié)構(gòu)圖

表1 密封圈材料

2.2 卡壓式銅合金管件的密封原理

將O 型密封圈裝入卡壓式銅管件端部的U 型槽內(nèi)，插入待連接的管材，使用專用的卡鉗進(jìn)行卡壓，管材和管件端部同時收縮，產(chǎn)生彈塑性變形，當(dāng)外管處于彈塑性變形，內(nèi)管處于彈性變形時，能夠形成緊密連接。管件卡壓前后的對比如圖2 所示。卡壓時，通過縱向力及扭轉(zhuǎn)力矩實(shí)現(xiàn)永久密封。具體分為兩個等級：①穩(wěn)定等級，通過管材與卡壓式管件的卡壓變形，實(shí)現(xiàn)機(jī)械部分的連接強(qiáng)度；②密封等級，通過插入套管末端的密封圈實(shí)現(xiàn)永久密封，在壓緊套管時，密封圈會變形，密封圈的彈性回復(fù)性確保連接的永久密封。根據(jù)不同的管道尺寸，卡壓連接用鉗口或壓環(huán)兩種工具。當(dāng)管道外徑在12mm～35mm 范圍內(nèi)用鉗口，輪廓為六角形，如圖3 所示；當(dāng)管道外徑在42mm～108mm 范圍內(nèi)用壓環(huán)及對應(yīng)的中間顎，輪廓為“檸檬形”。

圖2 管件卡壓前后的對比

圖3 小規(guī)格管件卡壓前后示意圖

2.3 卡壓式銅合金管件的分類

卡壓式銅管件根據(jù)管材系列分為Ⅰ系列和Ⅱ系列[5]，又分別稱單卡壓和雙卡壓，如圖4 所示。單卡壓密封圈處無延伸的承口，雙卡壓密封圈處有延伸的承口，進(jìn)行兩次卡壓，提供兩道阻力，有效增加了拉拔力，保護(hù)了管件內(nèi)的密封圈免受陽光、空氣的影響，使管件口的抗彎折和抗振動能力提高，雙卡壓式是唯一在造船上應(yīng)用的壓接類方式。根據(jù)端部承口的差異可分為A 型和B型，A 型管件兩端皆為承口，B 型管件一端為承口，一端為插口[6]。

圖4 Ⅰ系列和Ⅱ系列卡壓式銅管件

3 卡壓式銅合金管件的成型工藝

卡壓式銅合金管件主要有彎頭、三通等形式，如圖5 所示。以下主要介紹彎頭和三通的主要成形工藝。端部的形式一樣，成形工藝均為備料-擴(kuò)管-縮管及壓平[7]，如圖6 所示，圖6 右半部分是對應(yīng)每道工藝的模具。

圖5 卡壓式銅合金管件的主要結(jié)構(gòu)形式

圖6 卡壓式銅合金管件端部成形工藝

3.1 彎頭管件成形工藝

彎頭管件成形工藝為下料—彎管—擴(kuò)口—清洗平口—成形—固溶—清洗—包裝。采用激光切割下料。彎管的方法有壓彎、滾彎、推彎、繞彎，壓彎是最古老的一種彎管方法，在液壓機(jī)上進(jìn)行，使用模具對管材進(jìn)行彎制；制造彎曲半徑較大和壁厚較大的管件通常采用滾彎的方法，會用到三個驅(qū)動滾輪，對管材進(jìn)行彎制；推彎主要用來制作彎頭，包括冷推和熱推兩種成形方式；最為常用的是繞彎，使用的設(shè)備有立式或臥式彎管機(jī)[8]。

3.2 三通管件成形工藝

三通管件的成形工藝為下料—擴(kuò)口—清洗平口—成形—拔口—焊接支管—?dú)鈮簻y試—固溶。三通主管54 及以下規(guī)格需擴(kuò)口后成型，76 及以上規(guī)格直接成型就能達(dá)到最終尺寸。使用全自動激光切割機(jī)斷管，擴(kuò)口后放入平口機(jī)去除端部毛刺，超聲波清洗。把管坯放進(jìn)三通模里面，同時在管坯內(nèi)塞入聚氨酯彈性體，然后合模，管坯兩側(cè)的擠壓桿以相等的速度進(jìn)行相對運(yùn)動，擠壓管坯和管坯內(nèi)的聚氨酯彈性體，因?yàn)榫郯滨椥泽w的彈性模量十分大，所以它在擠壓下體積變化特別小，在一定的壓力下近似于不可變形流體，聚氨酯彈性體的作用使管坯充分地填充到三通模腔里面，從而使三通成型。焊接支管采用鎢極氬弧焊，適用性強(qiáng)、最常用，焊接效率低，熱輸入大。鎢極氬弧焊焊接的工藝流程為：焊前清理—焊接裝配—溫濕度控制—焊接氣體保護(hù)—焊接參數(shù)選擇—層間溫度控制—焊接過程清理—焊接成形。

4 形卡壓式銅合金管件的安裝

卡壓工具有液壓分離式卡壓工具、電動分離式卡壓工具、手動直連式卡壓工具。安裝步驟如下：

（1）確認(rèn)插入的長度。根據(jù)安裝的要求，管子的插入長度決定管子的切割長度，管子的插入長度如表2 所示。

表2 管子插入長度

（2）管子的切斷和切斷面的處理。切斷前應(yīng)確保管子無損傷與變形，使用產(chǎn)生較少毛刺和切屑的旋轉(zhuǎn)式管道切割器切割管子，切割時應(yīng)保證與管子的軸心線垂直進(jìn)行切割。為了避免管子失圓，切割時不可用力過大。一旦切口產(chǎn)生傾斜，則會造成插入量不準(zhǔn)確。管子切斷后應(yīng)當(dāng)及時清除管子端部的毛刺和切屑，用棉絲和紗布擦干凈粘在管子內(nèi)外的垃圾和異物，因?yàn)槊獭⑶行己彤愇锏葧?dǎo)致插入時密封圈損壞而造成泄漏。

（3）畫線。確認(rèn)管子的插入尺寸，用畫線器標(biāo)記在管子上。

（4）插入管子。插入管子之前應(yīng)當(dāng)確保O 型密封圈正確地安裝在U 型位置內(nèi)，將管子垂直插入卡壓式管件內(nèi)，不得傾斜，以免破壞密封圈，如果插入過緊，可以在管件密封處沾點(diǎn)水，不能夠使用油脂潤滑，因?yàn)闈櫥蜁?dǎo)致密封圈變性失效。插入之后，應(yīng)當(dāng)確認(rèn)管子上所畫的標(biāo)記到管端在2mm 以內(nèi)。

（5）卡壓連接。卡壓時，按住卡壓工具，鉗口凹槽應(yīng)與管件的環(huán)形凸部緊密接合，卡壓不足會造成接頭處泄漏，性能降低，如果卡壓處有所松弛，可以在原卡壓處重新進(jìn)行卡壓。

（6）卡壓檢驗(yàn)。連接好之后，使用專用的六角量規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)卡壓后尺寸是否到位，如果量規(guī)可以不松不緊正好卡住連接部位，說明連接良好。如果量規(guī)卡不進(jìn)去或者卡入一端存在縫隙，應(yīng)當(dāng)重新卡壓[9]。

5 展望

卡壓式銅合金管件應(yīng)用于高技術(shù)船舶生活熱水、海水冷卻、消防水系統(tǒng)等，隨著對其研究的不斷深入，卡壓式銅合金管件憑借其特有的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍也將不斷擴(kuò)大。目前，卡壓式銅合金管件的成形工藝有待進(jìn)一步探索，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬成本低、周期短，可以有效地根據(jù)模擬結(jié)果對工藝、模具、坯料進(jìn)行改善；卡壓式銅合金管件的安裝需要用到專用的卡具，專用卡具的開發(fā)也刻不容緩；針對卡壓式銅合金管件的第三方檢測評價平臺亟需建立，促進(jìn)其進(jìn)一步應(yīng)用和發(fā)展；鈦合金由于其優(yōu)良的耐蝕性，在船舶及海洋工程領(lǐng)域有逐漸取代銅合金管路的趨勢，因此鈦合金卡壓式管件也是未來研究的一個重要方向。