柔性接口胶圈的截面型式选择

柔性接口胶圈的截面型式选择

1管道柔性接口密封的设计管道是由许多管道和附件组成的线性结构。根据相适应的接口类型，它是通过施工和连接而形成的线性结构。由于地面荷载变化、地基不均匀沉降、温度应力、管道内介质压力波动、施工过程中施加于管道的外力以及地震冲击波等外力,都将在管道的纵向或横向产生内力。过大的纵向或横向内力,都将造成管节的破裂和管道的输送运行中断。国内外大量的工作实践证明,管道全线设置优良的柔性接口,使管节之间具有足够的纵向伸缩和横向弯曲变形条件,即可使每节管子和整条管道,都能处于稳定的静态工作条件下正常地输送运行。优良的柔性接口型式取决于截面型式优良的密封圈。因此密封圈截面型式的设计选取,是管道柔性接口密封设计优劣的首要关键环节。本文就密封圈的截面型式与柔性接口性能之间的密切关系等作些粗浅的探讨。2密封类型和密封原则2.1原始型密封圈管道输送介质压力荷载,使密封圈的密封摩擦阻力有减少趋势的密封,称为强制型密封。圆型截面密封圈(以下简称O形圈),是一种被广泛应用的原始型密封圈。它是一种典型的纯压缩式的密封圈。所以O形圈的密封型式就是纯压缩的强制型单一密封。其密封原理是:截面压缩变形的接触压应力,在其密封面产生的密封摩擦阻力,平衡管道输送介质压力荷载,使接口保持密封。它的接触压应力分布是不均匀的。其分布状态可用抛物线定律近似地描绘出来。属于此类密封圈的截面型式,还有方形、矩形及三角形等。2.2接口胶圈的设计特点管道输送介质压力荷载,使密封圈的密封摩擦阻力有增加趋势的密封,称为自封(自紧)型密封。唇型密封圈(以下简称Y形圈),它的截面一端有一个或数个唇口。它的密封型式为:截面压缩的强制型和管道输送介质压力荷载自封型的复合型密封。其密封原理是:截面压缩变形的接触压应力,在其密封面产生的密封摩擦阻力,为平衡管道输送介质压力荷载的初始密封摩擦阻力。唇口内的输送介质压力荷载,在其密封面产生的自封摩擦阻力与初始密封摩擦阻力迭加成密封摩擦阻力合力,平衡管道输送介质压力荷载,使接口保持密封。它的接触压应力分布也是不均匀的。其分布状态如图1所示。属于此类密封圈的截面型式还有;V形、U形、C形、X形及M形等。在总结分析了国内外多种铸铁管、钢筋混凝土管和预(自)应力钢筋混凝十管管道柔性接口(以下简称接口)橡胶密封圈(以下简称胶圈)的试验结果和工程应用的基础上,对接口胶圈优良截面型式的设计依据,提出如下几点见解:3.1胶圈应具有如下的承载能力:①接口部位管节自重;②接口部位的管道输送介质重量;③埋设管道接口部位上部回填土荷载以及地面临时荷载等。由于要求胶圈应具有足够的承载能力和柔性性能,所以胶圈的截面不宜太小。3.2胶圈应具有足够的接触压应力和有效的接口构造型式的嵌固限制,以便能够保持胶圈设计位置的稳定性,从而保证达到接口安全可靠的密封设计要求。在保证接口具有安全可靠的密封与柔性性能的前提下,应选取胶圈截面最高压缩变形率(即ρmax)的下限值,以使胶圈在管道长期的输送运行期间内,能保持较高的弹性性能。应根据管道口径、管材种类、输送介质种类及工作压力等条件,选取胶圈适宜的ρmax,排水和低压给水管道接口宜选取15%～20%,中压给水管道接口宜选取25%～30%,高压给水、低中压输气及大口径管道接口宜选取30%～35%.3.3Y形圈具有复合型的密封型式和迭加的密封摩擦阻力合力的优异性能。它还具有适宜的高宽比的稳定体形。所以它是接口胶圈的一种优良的截面型式。20世纪60年代初期,苏联的管道专家们曾撰文提出:非金属管、套管式及承插口式管的管道接口的胶圈,宜设计成具有输送介质压力荷载自封型式的唇型截面。试验证明:不同截面形状及尺寸的Y形圈,它的最大接触压应力值及应力分布状态,也是不同的。为防止安装接口时Y形圈唇尖与其密封面产生翘缝;也为唇尖具有一定的接触压应力值,唇尖的厚度应随管道口径的增大而适当增厚。由于Y形圈具有迭加的密封摩擦阻力合力等优异的性能,所以它适用于高压及真空等输送管道接口的密封。3.4安装在铸铁管节承口凹槽的Y形圈,其截面宜设计成带有凸棱的角唇型截面。为便于承口凹槽的生产制作和接口的安装以及管道输送运行期间,胶圈设计位置的稳定性,胶圈凸棱和与其相对应而形状相同的承口凹槽,宜设计成简单的三角形,如图2所示。安装在预(自)应力钢筋混凝土管节插口密封面的Y形圈,宜设计成无凸棱的梯唇型截面,如图3所示。3.5胶圈的截面形状,应利于管道接口的施工安装,并能保持其设计位置的稳定性。3.7在确保接口安全可靠的密封与柔性性能的前提下,为节省弹性材料和减少接口的安装推力,胶圈的截面不宜过大。为便于生产制作和接口的顺利安装,胶圈的截面形状也不宜太复杂。4接口的密封性能4.1被广泛大量应用的O形圈,虽然具有截面形状简单、截面较小、安装方便等优点,但它并不是优良的截面型式。理由是:①它属于纯截面压缩的强制型单一密封型式。由于它的密封摩擦阻力完全来自其截面压缩变形的接触压应力,所以它的ρmax较高。因此它的压缩应力松弛率较大、松弛速度较快,接口安全可靠的密封与柔性连接的应用年限较短。②它不适用于高压等输送管道接口的密封。③不论是滚动安装还是滑动安装,当接口间隙不均匀和安装有倾斜时,由于它是个圆柱体,它必然会产生局部扭转。过大的局部扭转,将成为接口渗漏的一个原因。从管道接口维修拆除的O形圈,已发现有的胶圈因ρmax过大,其截面已变成永久变形的椭圆形,有的因局部过大的扭转已变成永久变形的“麻花”状。④从图4可明显看出,都是在40%的ρmax和55度硬度的相同条件下,截面积为2.54cm2的O形圈的σc为3.3MPa;而截面积2.27cm2的3号Y形圈的σc却是6MPa.两者之差几乎是一倍。所以两者的密封摩擦阻力(即fp)也将相差近一倍。由此可见,胶圈不同的截面形状及尺寸,都直接影响到它的σc和fp的大小。为了提高接口的密封性能,应优先选取唇型截面,而不宜选择圆型截面。4.2首钢铸造厂于1966年生产的φ100mm和φ150mm梯唇型胶圈接口连铸管,用于北京一期地铁给水管道工程约60km.1969年投入输送运行至今,应用状况一直良好。之后,上海、北京、沈阳等地铺设的煤气管道以及1973年朝鲜平壤地铁工程的铸铁管给水管道承插口式接口,也都是采用了此种梯唇型胶圈,都满足了设计和工程的应用要求。1973年鞍钢铸管厂试生产了一批Φ400mm角唇型胶圈接口连铸管,铺设于舞阳钢铁厂给水管道工程。同年还试生产了一批φ1000mm角唇型胶圈接口连铸管,铺设于-鞍钢首山水源给水管道工程。30余年来应用状况一直良好。从Y型胶圈和O形胶圈的密封型式、密封原理和工程应用等诸多方面的比较,充分说明唇型截面是一种优良的密封圈截面型式,应予以大量