柔性接口膠圈的截面型式選擇

1管道柔性接口密封的設(shè)計(jì)管道是由許多管道和附件組成的線性結(jié)構(gòu)。根據(jù)相適應(yīng)的接口類型，它是通過(guò)施工和連接而形成的線性結(jié)構(gòu)。由于地面荷載變化、地基不均勻沉降、溫度應(yīng)力、管道內(nèi)介質(zhì)壓力波動(dòng)、施工過(guò)程中施加于管道的外力以及地震沖擊波等外力,都將在管道的縱向或橫向產(chǎn)生內(nèi)力。過(guò)大的縱向或橫向內(nèi)力,都將造成管節(jié)的破裂和管道的輸送運(yùn)行中斷。國(guó)內(nèi)外大量的工作實(shí)踐證明,管道全線設(shè)置優(yōu)良的柔性接口,使管節(jié)之間具有足夠的縱向伸縮和橫向彎曲變形條件,即可使每節(jié)管子和整條管道,都能處于穩(wěn)定的靜態(tài)工作條件下正常地輸送運(yùn)行。優(yōu)良的柔性接口型式取決于截面型式優(yōu)良的密封圈。因此密封圈截面型式的設(shè)計(jì)選取,是管道柔性接口密封設(shè)計(jì)優(yōu)劣的首要關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文就密封圈的截面型式與柔性接口性能之間的密切關(guān)系等作些粗淺的探討。2密封類型和密封原則2.1原始型密封圈管道輸送介質(zhì)壓力荷載,使密封圈的密封摩擦阻力有減少趨勢(shì)的密封,稱為強(qiáng)制型密封。圓型截面密封圈(以下簡(jiǎn)稱O形圈),是一種被廣泛應(yīng)用的原始型密封圈。它是一種典型的純壓縮式的密封圈。所以O(shè)形圈的密封型式就是純壓縮的強(qiáng)制型單一密封。其密封原理是:截面壓縮變形的接觸壓應(yīng)力,在其密封面產(chǎn)生的密封摩擦阻力,平衡管道輸送介質(zhì)壓力荷載,使接口保持密封。它的接觸壓應(yīng)力分布是不均勻的。其分布狀態(tài)可用拋物線定律近似地描繪出來(lái)。屬于此類密封圈的截面型式,還有方形、矩形及三角形等。2.2接口膠圈的設(shè)計(jì)特點(diǎn)管道輸送介質(zhì)壓力荷載,使密封圈的密封摩擦阻力有增加趨勢(shì)的密封,稱為自封(自緊)型密封。唇型密封圈(以下簡(jiǎn)稱Y形圈),它的截面一端有一個(gè)或數(shù)個(gè)唇口。它的密封型式為:截面壓縮的強(qiáng)制型和管道輸送介質(zhì)壓力荷載自封型的復(fù)合型密封。其密封原理是:截面壓縮變形的接觸壓應(yīng)力,在其密封面產(chǎn)生的密封摩擦阻力,為平衡管道輸送介質(zhì)壓力荷載的初始密封摩擦阻力。唇口內(nèi)的輸送介質(zhì)壓力荷載,在其密封面產(chǎn)生的自封摩擦阻力與初始密封摩擦阻力迭加成密封摩擦阻力合力,平衡管道輸送介質(zhì)壓力荷載,使接口保持密封。它的接觸壓應(yīng)力分布也是不均勻的。其分布狀態(tài)如圖1所示。屬于此類密封圈的截面型式還有;V形、U形、C形、X形及M形等。在總結(jié)分析了國(guó)內(nèi)外多種鑄鐵管、鋼筋混凝土管和預(yù)(自)應(yīng)力鋼筋混凝十管管道柔性接口(以下簡(jiǎn)稱接口)橡膠密封圈(以下簡(jiǎn)稱膠圈)的試驗(yàn)結(jié)果和工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上,對(duì)接口膠圈優(yōu)良截面型式的設(shè)計(jì)依據(jù),提出如下幾點(diǎn)見(jiàn)解:3.1膠圈應(yīng)具有如下的承載能力:①接口部位管節(jié)自重;②接口部位的管道輸送介質(zhì)重量;③埋設(shè)管道接口部位上部回填土荷載以及地面臨時(shí)荷載等。由于要求膠圈應(yīng)具有足夠的承載能力和柔性性能,所以膠圈的截面不宜太小。3.2膠圈應(yīng)具有足夠的接觸壓應(yīng)力和有效的接口構(gòu)造型式的嵌固限制,以便能夠保持膠圈設(shè)計(jì)位置的穩(wěn)定性,從而保證達(dá)到接口安全可靠的密封設(shè)計(jì)要求。在保證接口具有安全可靠的密封與柔性性能的前提下,應(yīng)選取膠圈截面最高壓縮變形率(即ρmax)的下限值,以使膠圈在管道長(zhǎng)期的輸送運(yùn)行期間內(nèi),能保持較高的彈性性能。應(yīng)根據(jù)管道口徑、管材種類、輸送介質(zhì)種類及工作壓力等條件,選取膠圈適宜的ρmax,排水和低壓給水管道接口宜選取15%～20%,中壓給水管道接口宜選取25%～30%,高壓給水、低中壓輸氣及大口徑管道接口宜選取30%～35%.3.3Y形圈具有復(fù)合型的密封型式和迭加的密封摩擦阻力合力的優(yōu)異性能。它還具有適宜的高寬比的穩(wěn)定體形。所以它是接口膠圈的一種優(yōu)良的截面型式。20世紀(jì)60年代初期,蘇聯(lián)的管道專家們?cè)奶岢?非金屬管、套管式及承插口式管的管道接口的膠圈,宜設(shè)計(jì)成具有輸送介質(zhì)壓力荷載自封型式的唇型截面。試驗(yàn)證明:不同截面形狀及尺寸的Y形圈,它的最大接觸壓應(yīng)力值及應(yīng)力分布狀態(tài),也是不同的。為防止安裝接口時(shí)Y形圈唇尖與其密封面產(chǎn)生翹縫;也為唇尖具有一定的接觸壓應(yīng)力值,唇尖的厚度應(yīng)隨管道口徑的增大而適當(dāng)增厚。由于Y形圈具有迭加的密封摩擦阻力合力等優(yōu)異的性能,所以它適用于高壓及真空等輸送管道接口的密封。3.4安裝在鑄鐵管節(jié)承口凹槽的Y形圈,其截面宜設(shè)計(jì)成帶有凸棱的角唇型截面。為便于承口凹槽的生產(chǎn)制作和接口的安裝以及管道輸送運(yùn)行期間,膠圈設(shè)計(jì)位置的穩(wěn)定性,膠圈凸棱和與其相對(duì)應(yīng)而形狀相同的承口凹槽,宜設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單的三角形,如圖2所示。安裝在預(yù)(自)應(yīng)力鋼筋混凝土管節(jié)插口密封面的Y形圈,宜設(shè)計(jì)成無(wú)凸棱的梯唇型截面,如圖3所示。3.5膠圈的截面形狀,應(yīng)利于管道接口的施工安裝,并能保持其設(shè)計(jì)位置的穩(wěn)定性。3.7在確保接口安全可靠的密封與柔性性能的前提下,為節(jié)省彈性材料和減少接口的安裝推力,膠圈的截面不宜過(guò)大。為便于生產(chǎn)制作和接口的順利安裝,膠圈的截面形狀也不宜太復(fù)雜。4接口的密封性能4.1被廣泛大量應(yīng)用的O形圈,雖然具有截面形狀簡(jiǎn)單、截面較小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),但它并不是優(yōu)良的截面型式。理由是:①它屬于純截面壓縮的強(qiáng)制型單一密封型式。由于它的密封摩擦阻力完全來(lái)自其截面壓縮變形的接觸壓應(yīng)力,所以它的ρmax較高。因此它的壓縮應(yīng)力松弛率較大、松弛速度較快,接口安全可靠的密封與柔性連接的應(yīng)用年限較短。②它不適用于高壓等輸送管道接口的密封。③不論是滾動(dòng)安裝還是滑動(dòng)安裝,當(dāng)接口間隙不均勻和安裝有傾斜時(shí),由于它是個(gè)圓柱體,它必然會(huì)產(chǎn)生局部扭轉(zhuǎn)。過(guò)大的局部扭轉(zhuǎn),將成為接口滲漏的一個(gè)原因。從管道接口維修拆除的O形圈,已發(fā)現(xiàn)有的膠圈因ρmax過(guò)大,其截面已變成永久變形的橢圓形,有的因局部過(guò)大的扭轉(zhuǎn)已變成永久變形的“麻花”狀。④從圖4可明顯看出,都是在40%的ρmax和55度硬度的相同條件下,截面積為2.54cm2的O形圈的σc為3.3MPa;而截面積2.27cm2的3號(hào)Y形圈的σc卻是6MPa.兩者之差幾乎是一倍。所以兩者的密封摩擦阻力(即fp)也將相差近一倍。由此可見(jiàn),膠圈不同的截面形狀及尺寸,都直接影響到它的σc和fp的大小。為了提高接口的密封性能,應(yīng)優(yōu)先選取唇型截面,而不宜選擇圓型截面。4.2首鋼鑄造廠于1966年生產(chǎn)的φ100mm和φ150mm梯唇型膠圈接口連鑄管,用于北京一期地鐵給水管道工程約60km.1969年投入輸送運(yùn)行至今,應(yīng)用狀況一直良好。之后,上海、北京、沈陽(yáng)等地鋪設(shè)的煤氣管道以及1973年朝鮮平壤地鐵工程的鑄鐵管給水管道承插口式接口,也都是采用了此種梯唇型膠圈,都滿足了設(shè)計(jì)和工程的應(yīng)用要求。1973年鞍鋼鑄管廠試生產(chǎn)了一批Φ400mm角唇型膠圈接口連鑄管,鋪設(shè)于舞陽(yáng)鋼鐵廠給水管道工程。同年還試生產(chǎn)了一批φ1000mm角唇型膠圈接口連鑄管,鋪設(shè)于-鞍鋼首山水源給水管道工程。30余年來(lái)應(yīng)用狀況一直良好。從Y型膠圈和O形膠圈的密封型式、密封原理和工程應(yīng)用等諸多方面的比較,充分說(shuō)明唇型截面是一種優(yōu)良的密封圈截面型式,應(yīng)予以大量