非焊接式鋼管的優化設計介紹

摘 要：本文介紹了目前市面上常用的非焊接式鋼管的結構形式，分析了現有的非焊接式鋼管技術的原理及優缺點，并提出了改進方案和新的非焊接式鋼管結構。通過改進方案和新的非焊接式鋼管結構可以使非焊接式鋼管結構更可靠，成本也低。

關鍵詞：非焊接；優化設計；可靠；壽命長

1 前言

隨 著環保意識的提高，環保型非焊接鋼管的需求也在增加。這種鋼管在制造、運輸和處理過程中，對環境的污染較小，符合可持續發展的要求。加之工業4.0的發展，非焊接鋼管的生產過程將越來越依賴于高度機械化和自動化處理。這將要求鋼管制造商提供更高可靠性、更高品質的產品，以滿足復雜系統的運行需求。非焊接鋼管的安裝和拆卸方便，不需要專業的焊接技能，可以減少安裝時間和手工操作，同時也不會損壞鋼管。這使得非焊接鋼管在空間狹小或者需要頻繁更換、維修的場所具有很大的優勢。非焊接鋼管制造業的發展，同時也將為鋼管的應用領域帶來更廣闊的市場空間。

2常見的非焊接鋼管形式

常用的鋼管安裝方式主要分為鋼管接頭連接和法蘭連接形式，其中小規格鋼管（外徑42及以下鋼管）多用接頭連接形式，大規格鋼管（外徑42以上鋼管）多采用法蘭連接形式。

2.1鋼管接頭形式

國際硬管接頭標準主要有下列幾個：ISO8434-1、ISO8434-2、ISO8434-3、ISO8434-4。相應的結構形式分別從左到右分別對應下面幾種結構形式。

針對上述四種標準的硬管接頭連接形式，市面上相對可靠的非焊接結構形式主要有以下四類：

①EO結構

EO結構由接頭體、漸進式卡套（DIN 3861-2002/GBT 3764-2008）、螺母、鋼管等組成，具體詳見圖2。

EO卡套的密封原理是通過卡套前端的刃口切入鋼管形成密封。

此種結構的優點是結構簡單，不需要過多的設備對鋼管進行成型加工。

缺點就是此種結構對安裝人員要求較高，如若沒有控制好力度，鋼管被切刃口可能較深，鋼管長時間使用易斷裂。另外，此種結構防拔脫性較差，多次拆裝卡套鋼管密封容易失效。現慢慢被淘汰。

②EO2結構

EO2結構由接頭體、漸進式卡套（DIN 3861-2002/GBT 3764-2008）、密封體、螺母、鋼管等組成，具體詳見圖3。

EO2卡套的密封原理是通過組合卡套前端的彈性橡膠唇、鋼管及接頭間進行密封。

此種結構卡套可采用預裝機來預裝，大大降低了安裝難度，提高鋼管的可靠性。但是由于卡套切入鋼管，長時間使用存在鋼管斷裂風險。此外，此種結構防拔脫性也較差，多次拆裝卡套及密封易損壞而出現漏油，應用場合相對較少。

③EO2-FORM結構

EO2-FORM結構由接頭體、帶骨架的密封件、螺母、鋼管等組成，具體詳見圖4。

EO2-FORM結構的密封原理是通過帶骨架的密封件、鋼管擠壓臺階及接頭來密封。

此種結構優點是耐高壓，沖擊和振動；對裝配的技術要求低，密封可靠性好；可重復裝拆，壽命長；密封損壞可修復－更換密封圈；防拔脫。目前來說，是主流的方案。

缺點是鋼管被擠壓出的臺階跟螺母接觸位置處圓角較小，應力較為集中。長時間使用，該位置處容易出現裂縫。

④WAL FORM結構

WAL FORM結構由接頭體、密封體、螺母、鋼管等組成，具體詳見圖5。

WAL FORM結構的密封原理是通過密封件、鋼管擠壓臺階及接頭來密封。

此種結構優點是耐高壓，沖擊和振動；對裝配的技術要求低，密封可靠性好；可重復裝拆，壽命長；密封損壞可修復－更換密封圈；防拔脫。目前來說，也是主流的方案。

缺點是相近規格鋼管密封件容易混裝；鋼管被擠壓出的臺階跟螺母接觸位置處圓角較小，應力較為集中，長時間使用，該位置處容易出現裂縫。

2.2法蘭形式

國際法蘭標準主要有下列幾個：SAE1000、SAE3000、SAE6000、ISO6162、ISO6164等。目前針對這些法蘭標準。有兩種比較常用的法蘭式非焊接鋼管成型方式：

①37°擴口式法蘭連接

37°擴口式法蘭連接是由一對法蘭壓板（或一個法蘭壓板+安裝平面），遵循SAE J518或ISO 6162標準、擴口法蘭頭（或稱為錐套、法蘭內芯）、擴口鋼管、密封圈（如F37密封圈、O形圈、組合墊等）以及螺栓、螺母、彈簧墊圈等組成。如下圖所示：

37°擴口結構的密封原理是通過法蘭內芯端面的密封件和坡口密封件進行密封。

此種結構優點是耐高壓，沖擊和振動；對裝配的技術要求低，密封可靠性好；可重復裝拆，壽命長；密封損壞可修復－更換密封圈；可直接對接膠管法蘭等。目前66×8.5及以下規格鋼管多采用此結構。

缺點就是大規格大壁厚鋼管擴口難度大，對設備要求高。

②保持環結構

保持環結構由法蘭、保持環、組合墊圈、鋼管、螺釘和螺母等組成，具體詳見下圖。

保持環結構的密封原理是通過鋼管端面的組合墊圈密封。

此種結構優點是結構簡單，耐高壓，沖擊和振動；加工難度小，對裝配的技術要求低，密封可靠性好；可重復裝拆，壽命長；密封損壞可修復－更換密封圈。應用場景較多。

缺點就是鋼管外壁需要加工一個較深的的溝槽用來固定保持環，此溝槽一定程度削弱了鋼管；此溝槽長期跟保持環接觸，溝槽處應力相對集中；如果溝槽加工的精度不夠，微觀裂紋更會加速鋼管的滲漏或斷裂，進而降低了鋼管的使用壽命。

3非焊接式鋼管優化設計

針對上述硬管接頭連接和法蘭連接形式中存在的缺陷，現提出了兩類優化設計方案。

3.1 EO2-FORM和WAL FORM形式優化改型

目前市面上主流的硬管接頭連接形式為EO2-FORM和WAL FORM。鋼管是通過彎管設備成型，此兩種結構都很難避免出現下列問題：

1.鋼管成型臺階處的圓角較小，該圓角處應力較為集中；2.螺母與圓角接觸沒有做圓角過渡，較尖的螺母會直接壓在圓角處；3.鋼管與螺母之間存在間隙，鋼管存在沖擊時，沖擊力會通過類似杠桿原理作用在圓角處。時間一長，該圓角處容易開裂進而出現漏油的情況（如圖8所示）。

針對上述問題，現提出了下列優化方案：

新的優化結構由接頭體、螺母、彈性體以及鋼管組成。彈性體一端頂住鋼管成型臺階，彈性體跟鋼管臺階接觸位置設有圓角； 彈性體另一端與鋼管外壁配合，間隙較小；螺母通過斜面跟彈性體配合。相關結構有兩種，具體如下：

采用上述結構有下列好處：

（1）彈性體一端既可以頂住鋼管臺階面實現固定功能，接觸面圓角有效地避開了鋼管成型臺階處較小的圓角；另一端通過跟鋼管之間的較小間隙配合，當鋼管受到徑向彎曲力時可以有效地將彎曲的受力點傳遞至鋼管遠離鋼管臺階圓角。

（2） 彈性體和螺母通過斜面接觸，有效地將螺母的受力點傳遞到彈性體，并且遠離鋼管臺階圓角處，進而降低鋼管斷裂的可能性。

（3）彈性體本身具備一定強度，在與鋼管接觸端通過切口的方式（如圖9右一）提高彈性體的形變能力，進而將彈性體牢牢抱緊在鋼管上，進一步提高鋼管的使用壽命。

由上述結構方案，還可以延伸出另一種優化方案。通過加長螺母和減少螺母與鋼管的間隙，有效地將鋼管受力點轉移到遠離鋼管臺階圓角，進而提高鋼管的使用壽命。（結構可參見圖10）

3.2 新型的螺紋連接式法蘭結構

現有保持環結構，鋼管外壁處需要加工一個較深的溝槽用于放置保持環，這樣極大地削弱了鋼管的壁厚尺寸。在鋼管使用過程中，鋼管承受的剪切力將通過保持環傳到溝槽處，造成溝槽處（即鋼管壁厚最薄的地方）應力比較集中。此外，如果溝槽加工的精度不夠，微觀裂紋更會加速鋼管的滲漏或斷裂，進而降低了鋼管的使用壽命。

為解決上述技術問題，現提供了一種新型的螺紋連接式法蘭結構，包括鋼管本體和法蘭。法蘭和鋼管通過螺紋連接，法蘭圓周設有螺釘孔，通過螺釘最終將鋼管和法蘭固定。鋼管端面通過組合墊圈進行密封，相關示意圖如下：

通過在鋼管端部的外壁設置外螺紋和外結合面，法蘭內壁設置內螺紋與內結合面，法蘭與鋼管相連時，將法蘭套在鋼管端部，使內結合面穿過外螺紋，此時法蘭的內螺紋與鋼管端部的外螺紋螺紋連接，且法蘭通孔內的內結合面與鋼管端部的外結合面滑動接觸，實現鋼管與法蘭之間的固定；一方面，由于鋼管上外螺紋的螺紋加工深度一般為1～2mm，對比在鋼管上加工保持環溝槽的深度更淺，即對鋼管的壁厚尺寸削弱較少，減少了對鋼管強度的削弱；另一方面，鋼管上的螺紋連接面對比保持環與鋼管之間的接觸面更大，受力更均勻，能夠有效地避免應力集中，幫助延長鋼管的使用壽命；此外，在鋼管受到外力作用時，法蘭的內結合面與鋼管的外結合面之間承受了一部分剪切力，可減少內螺紋與外螺紋之間的受力，避免內螺紋與外螺紋過快磨損或出現裂紋，法蘭與鋼管本體之間的連接更加安全可靠。

針對此螺紋法蘭結構，可以延伸出更多的結構，如下圖：

4優化改進后的結構效果

針對壓機上一根25×3（EO2-FORM）使用一年出現鋼管成型臺階圓角處斷裂漏油問題，采用改進后的結構（如圖9左一），使用3年未出現問題，現一直在使用中。

針對壓機上一處66×8.5（保持環結構）使用一年出現鋼管溝槽位置處斷裂漏油問題，采用改進后的機構（如圖12左一），使用3年未出現問題，現一直在使用。并且該結構成本相比保持環結構下降50%。

5 結語

本文針對常用的非焊接鋼管的接頭連接和法蘭連接形式，通過分析現有結構上存在的不足，分別有針對性地提出了不同的優化方案。在保證原有結構可制造性的前提下，讓非焊接式鋼管結構更可靠，使用壽命更長，成本也相應更低。

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