恼人的管道泄漏 研究各管件的密封特性

管接头处流体的泄漏不仅浪费资金，也相当的危险。本文介绍了各种类型的管件，研究了各管件断开后再加工时的密封特性。
    流体的泄漏令工业界每年损失几百万元。一套装置通常有几百个疏水器，因此发生泄漏后每年损失几百万欧元。除经济损失之外，对泄漏点不予以修整还会增加停车次数、影响产品质量、污染环境、甚至造**员伤害。
    理想的管接头 ——在任何情况下都不发生泄漏的管接头  ——是不存在的。但是，了解泄漏的产生原因非常利于消除泄漏，同时赢得**、可靠的生产和经济成本的降低。
    问题：机械应力
    系统振动、脉动和热循环作用是造成化工流程系统发生泄漏的常见原因。在这些机械应力之下，任何类型的管道接头都可能出现泄漏。管件金属结构材料的不一致，侧向负荷或其它系统的设计中产生的不适当的应力，或者仅仅是不正确的安装都会加剧振动疲劳。
    应力增强和应力疲劳已经得到了广泛的研究，研究结果之一是一种被称为Mark1疲劳曲线的关系，该曲线可以预测一件测试样品在发生故障之前所能承受的应力周期数。应力的幅度越大，故障出现的时间越早。
    上紧管件时在管壁上留下的缺口或槽沟会使应力集中，从而加速故障的发生。使用“应力增强因数”可以计算出上述结果。
    管道堵漏

    开发流体输送系统时人们往往忽视了部件的正确选择、整个系统的设计和产品的技术。造成泄漏的*主要的因素之中，工艺管道的连接件的类型以及安装和维护人员的知识水平和实践经验是至关重要的两个方面。

    抗振性和抗疲劳性*强的连接方式是对接焊接。然而，尽管对接焊缝的强度和一体性相当高，这种连接方式仍然有诸多缺点。获得牢固的对接焊缝需要昂贵的设备和对焊工的培训。焊接管件也比其它类型的管件安装费时、且可维修性差。如果需要断开焊接接头，焊炬或钢锯是**能够使用的工具。

    工艺流体输送系统*常见的连接方式之一是螺纹连接，其中包括两种基本类型：锥形螺纹和平行螺纹。

    锥形螺纹正如其名字一样，螺纹直径沿着一侧或两侧连接件的长度而变化，在螺纹面、螺纹牙顶和螺纹牙根等任意两个金属面之间形成“挤压密封”。

    锥形螺纹拧紧后产生的强应力会造成金属管件，尤其是碳钢或不锈钢管件的磨损和折裂，除非使用适当的润滑剂。人们普遍使用PTFE带缠绕在外螺纹上进行密封。

    锥形螺纹*古老的设计之一是NPT(National Pipe Thread)，这种设计的内、外螺纹都是锥形螺纹。ISO锥形螺纹与NPT的类似。

    NPT锥形螺纹的一个变异是NPTF（National Pipe Thread Fine）。在这种“干密封”设计中，螺纹牙根比牙顶圆钝、低浅，因此当管件上紧后，螺纹牙根挤压另一螺纹的牙顶，无需使用润滑剂即可形成一个良好的密封，这就是NPTF的工作原理。但在实际应用中，无润滑即意味着磨损，尤其是碳钢管件和不锈钢管件。因此NPTF管件很难安装，并且几乎不可能重新加工。

    与锥形螺纹相比，平行螺纹仅仅产生机械强度，而不形成密封。密封功能由一个橡胶圈提供，橡胶圈通常安装在外螺纹的根部（图1）。密封圈紧压着靠近内螺纹口的凸台或其它平面。平行螺纹容易加工、拆卸和再加工。平行螺纹设计包括SAE（Society of Automotive Engineers）直螺纹，ISO平行螺纹和37o（AN）扩口管件。后者通常用于液压领域，通过在管件的端口加工扩口平面提供密封。

    重大缺陷：压力降TUBE管

    尽管工艺管道（无论是焊接还是螺纹连接）的应用广泛，它仍然存在一个重大缺陷：压力降。在某一给定雷诺数下（由管道直径，流体速率、密度和粘度计算得出），压力降的大小取决于管壁的粗糙度、弯管的半径和管件中阻碍流体流动的物质的特性。

    当PIPE管需要改变方向时，通常采用45°或90°弯头。而对于TUBE管来说，其本身可形成弯管以适应应用领域的要求，这种能力意味着压力降的显著减少。TUBE管的管壁也比PIPE管的管壁光滑。就压力降而言，TUBE管件比PIPE管件的设计优化。无论是工艺过程还是仪表控制中，当压力降是关键因素时，*好使用TUBE管。 

    用一把扳手就可以安装承管件

    TUBE管有其特殊的管件类型。*早开发出的TUBE管件是承压管件，由三个元件组成：螺帽，接头和垫圈或套圈（图2）。与螺纹接头安装时需要专用工具不同的是，承压管件用一把扳手就可以安装。由于多数承压管件的设计将密封力集中在一条线上，而不是一片区域上，因此承压管件可以提供*有效的金属-金属密封。

    但是承压管件依靠摩擦力提供密封，因此仅适用于低压系统，并且不宜使用在振动和热循环作用的场合。承压管件一般由黄铜制造，很少使用其它材料。

    扩口管件也是由三个元件组成：螺帽，套管和接头。接头的端口是扩口或锥形的；有时套管具有自扩口功能，通常使用薄壁或软质管材。与承压管件相比，扩口管件可用于压力较高的流体输送系统当中，材料的选择范围较宽，并且由于其密封面积较大而易于再加工。
扩口管件的缺点是需要使用专用工具，切割时必须精心。切割不好的TUBE管会产生泄漏。扩口管件还可能出现应力集中和应力开裂，尤其是薄壁或脆性TUBE管。

    卡口管件安装时不需要专用工具，其压力等级也比承压管件高。卡口式管件由一个螺帽、接头和一个或多个套圈组成。套圈的边缘尖锐，可以卡入TUBE管皮内固定住。**道密封是套圈和接头内锥体之间的较长的接触面积。

    避免设计折衷选择

    多数卡口管件使用一个套圈，这个套圈起着卡箍和密封的双重作用。为了避免设计时对两种作用的折衷选择，可以使用两个套圈，一个用于卡箍，另一个用于密封。

    机械卡箍接头一般使用双套圈设计，有时再用动负载加强，例如用弹簧增加密封力。管件上紧后，前一个套圈轴向挤压TUBE管和联轴节的表面，而后一个套圈产生一个径向力卡住管子，提高管道的抗振动性。

    机械卡箍接头容易断裂，但是只要使用适当的技术它们也容易重新加工。机械卡箍的紧力不足是出现泄漏的主要原因，尤其是不锈钢等硬性材质。有些制造商提供量规以便确保管件被施用了适当的紧力。