卡套式管件的应用

　　摘要：卡套式管接头是一种新型实用的快速管接件，它的应用和推广，取决于其良好的密封性能及反复使用功能，本文根据福州市仪器阀门厂多年来在卡套式管件进行的不断试验结果，采用了连接方便的卡套式管件，实现了可反复使用和良好的密封性能。

　　卡套式管件是石油、化工、冶金、轻工、电力、纺织、军工、机械等行业中气液体管道连接的必要连接件。卡套式管件主要由接头体，卡套和压紧螺帽组成，它与钢管连接时不需要焊接，

　　地贴在连接体密封处。由于螺帽紧紧压住卡套，使其尾部径向收缩切入管子，这样，既可防止刃部应力集中，也增加了耐振动性能。如图2所示。

　　安装极其方便，有利于防火、防爆和高空作业， 其耐压高（32MPa）密封性和反复性好。已在科研部门的装置上大量使用，由于对密封的可靠性及适应高压场合等方面存在不足，所以在生产部门

　　满足可反复拆装，连接力强、耐冲击振动并适用于高压管路等要求，进行施用性能研究，以利促进卡套式管件的推广应用。

　　连接体内有24°的圆锥形密封面，卡套经过热处理之后形成外硬内软，当旋转螺帽时，在压力的作用下卡套被推进24°锥体，并随之变形，使卡套与连接体锥面形成弧面接触密封，同时卡套的内刃口切入管子外壁，在外壁压出环形闭口缘边，从而起到了可靠的密封作用，卡套中部拱形突起，具有一定的弹性作用，有利于密封和防止螺帽松动。由于卡套弹性的作用，当温度变化时，卡套可自行调节（压缩或膨胀）使卡套紧紧

　　卡套是带有尖锐内刃，经过热处理外硬内软，具有一定的弹性。在压紧螺帽的压力作用下，卡套被推进24°的锥孔，并随之变形，使卡套与连接体锥面形成球面接触密封，同时卡套内刃切入管子外壁，在外壁压出一个环形的闭口缘边，从而起到可靠的密封作用。对于1.5～22mm的管子，卡套内刃切入深度为0.15～0.50mm，这种密封形式的实质就是常见的刀口密封，只不过刀口不是在法兰盘上而是在卡套上，卡套密封面与连接体圆锥密封面之间的密封机理，可引用罗斯的分析方法，据观察，机械加工的粗糙度峰谷高度A应为10-3～10-5mm，而90%以上的峰具有1°～4°的斜率，如泄漏通道的长度等于密封口的宽度W，密封口的长度为L，则对于常温的氮气，可推导出泄漏通道的流导：

　　由上式可以看出，R越小（材料越软），达到同样密封所需要的紧固力也越小，密封效果越好。

　　从卡套与管子之间是刀口密封考虑，以选表层热处理的硬卡套为宜。表面的粗糙度也很重要，表面峰谷高度A减少一个数量级，漏率会减少二个数量级。由于卡套的弹性，压入锥孔后密封宽度将随之增宽，而密封长度将减短，这就导至漏率的迅速下降，获得良好的密封效果。尤其是卡套的弹性变形，当温度变化时，卡套可自行调节，便其密封处始终紧贴在连接体内圆锥面上，保证密封。

　　压紧螺母力的作用下，沿接头体的内锥孔轴向移动，同时刃口端在反力的作用下产生径向收缩，消除了卡套与管子的间隙，而使刃口接触管子表面，此时管子不再旋转，继续旋转螺母使卡套刃口牢牢地切入管子确保密封。另一个密封环节使卡套刃口端点13°倒角与外园的交线°环形锥面紧紧接触形成密封带，这是卡套密封的主要部位。卡套尾端45°锥面在力的作用下产生径向收缩，紧抱被连管子，同时中部稍有拱起，因而卡套应具有硬度、脆性、塑性和弹性。这对卡套密封及防止压紧螺母松动均起有利作用。

　　为了要达到以上性能，要求卡套有较高的硬度，一般情况表面硬度要比心部硬度高。要求其刃部能卡入管子表面，并有足够的咬合深度，因此，卡套要有相当高的表面硬度，一般的硬度值能达到HRC50-60，为了提高硬度，卡套表面要进行热处理，目前，卡套热处理方法有：低碳钢表面渗氮、渗硼、氰化等方法，中碳钢淬火，渗钒

　　实验证明，小口径管子卡套没有经过热处理也可以使用，但卡套刃部作用末显示出来，如

　　3～8mm管径，可承受50Mpa压力。经过多年反复使用和试验证明，接头体选用1Gr18Ni9Ti材质，卡套采用3Gr13、4Gr13或其他耐酸钢材质的，不热处理的卡套仍可使用。当然，热处理后的卡套咬合深度、抗压强度、表层硬度都要比不处理的卡套好。

　　为了考核卡套管件在不同场合下的使用效果，我们先后作了咬合、压扁、气密性、震动等

　　咬合试验：也称切入试验。要求卡套在管壁上有足够的卡入深度（4-22mm管径δ=0.15～0.55mm）周边咬痕应均正，卡套表面不得有微小的裂纹。剖开咬合后的卡套，刃口不得有明显变纯或局部崩裂。我们分别将三组为20mm、

　　14mm、8mm的卡套式接头按要求组装后，将其切开，观察卡套刃口切入管子的深度及咬合情况，通过测量，其咬合深度均大于0.15mm，周边咬痕均匀，切开检查刃口无明显变纯。如图3所示。

　　力后，卡壁就要发生变形，这种变形会产生塑性，如果塑性过大，卡套刃口作用就显示不出，其卡入深度浅，耐压能力降低。所以，对卡套而言，可以有塑性，但塑性不能太大。为了减小塑性就要增加卡套硬化层深度，卡套硬化层越深，卡刃部位越明显。如果卡套渗化层过深，其脆性就要增加则强度降低，当卡套受力时会出现断裂，根据试验结果，当卡套压扁时长短轴之比为1/2～1/3，此时无裂纹出现卡套不断为合格。具体步骤为：将经过热处理的卡套夹在台钳上，沿径向平缓慢加压，使其变形，出现第一道裂纹时，其短轴与长轴之比为1:2～3，无脆裂现象，其H值见表１。

　　密性试验（即抽真空试验）。目的是考核卡套钢性连接时的负压密封性能。我们用ZIS型氮质谱检漏仪测定管件组，包括22×3mm不锈钢管2米，中间串联四组DW22卡套式直通接头，一组DW8卡套式三通接头和DW8、DW22卡套式球阀各一个，通过测压力降，了解其密封性，结果见表２。

　　P—（P1-P2）压力降（mmHg）； l—容积单位（升）； ε—压力单位（mmHg）；

　　结果分析表明，使用卡套式管件连接方法抽 真空比用法兰加软橡胶垫片效果好，书上记载软 性合格标准υ=4×10-3—6×10-6，而卡套连接υ

　　将卡套试件的一端固定在支架上，另一端连 接在振动台平夹具的球面轴承内，（见图４）这个 夹具可随管子长度需要而前后移动，以得到振动

　　达到材料抗拉强度（σ）的 1/4（包括液压应力在 内）往复弯曲循环 107 次（1 千万次）试验结果见 表 3。

　　30.48—经验公式常数； T—Q（273+25）°绝对温度加室温； M—空气的分子量取 29； L—试验管径长度（ｍ）； r—试验管径内半径（ｍ）；

　　最高为 60Mpa，时间已过去 10 年，每天拆装在 100 次以上，至今均无出现泄漏现象。

　　上述试验表明，卡套式样管件有良好的密封 性能，耐冷热冲击，允许反复折装，因而完全适

　　（3）由于卡套弹性变形可以调节温度过变化 的伸缩，固可适用于温度变化较大的场合；

　　（4）卡套式管件的不同形式连接标准有 14 个之多可任意选用，故结构复杂、多变的设备上 适用性最强。

　　卡套式管件也有它的局限性，由于结构上的 原因，不宜用于大口径管路，所以通径较小，只 能在小流导的管路上。而且其密封性能随着管件 的增大而降低，拧紧力距也随着管径增大而成倍 参考文献 [1]日本机械学会.机械工学便览[M].日本机械学会.1986.

　　增加。对于 ≤22mm 的卡套，一般用人力拧紧。 而≥22mm 的卡套，则多用预紧工具，凭借油压 机的力，把卡套压在管子端头上。然后用扳手旋

　　压紧螺帽，直到密封为止。即使如此，我们体会 到，所需的力还是相当大的。这对于许多小设备， 也许是难以承受的。因此，我们认为卡套式样管 件最适应22mm 以下的管子使用。

　　[2]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].机械工业出版社.2005. [3]刘俞铭.最新管路附件设计选用及管接头、管件工艺设计典型实例实务全书[M].中国知识出版社 2006.

　　作者简介：沈少华（1954 年-），男，工程师，主要从事阀门与管件设计制造。

　　（1）利用数值分析的方法进行了强度计算， 准确地了解了轴零件的应力应变的大小和位置， 特别是最大应力及应力集中的位置，为结构设计 提供参考。

　　（2）利用数值分析的方法计算了轴零件的临 界转速，结果表明，轴的工作转速远远低于临界 转速，不会引起共振，设计是安全的。

　　远远小于临界值，说明设计虽然是安全的，但不 尽合理，还有很大的优化空间，以免造成结构笨 重，浪费材料。

　　（4）本文是以一轴零件为例，说明数值分析 的方法在机械结构设计中的应用，结果表明，这 种方法可以弥补理论分析和实验方法的不足，提 高设计效率，它同样适用于其他零件的设计。因 此，在机械结构设计中运用数值分析的方法是可 行的且具有一定优势。

　　[1]孙爱芹,王吉岱,李磊林等.基于 ANSYS 的高压巡检机器人电机主轴动态分析[J].煤矿机械,2008,29(7). [2]钟佩思,孙雪颜,苏超等.基于 ANSYS 的鼓风机轴模态分析与仿线]刘敏芳,赵方,张军明等.立轴冲击式破碎机轴承箱支架模态分析[J].设备制造技术,2007,(11). [4]张珂,佟俊,吴玉厚等.陶瓷轴承电主轴的模态分析及其动态性能实验[J].沈阳建筑大学学报,2008,24(3). [5]万嘉礼.机电工程金属材料手册[M].上海:上海科学技术出版社,1990. [6]吴宗泽.机械设计实用手册(第二版)[M].北京:化学工 业出版社，2003. [7]杜平安.结构有限元分析建模方法[M].北京:机械工业出版社,1998.

　　作者简介:张玉周（1971 年－），男，实验师，主要从事机械基础实验教学及 CAD/CAE 方面的研究。