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1、152004年第2期 1前言 管道冷挤压连接技术是指金属在低于再结晶温 度下或其它材料在低于熔点的条件下,同种材料、 两 种或多种材料之间,利用媒介或不利用媒介,在外力 的作用下产生弹性或塑性变形,使之实现相互连接 或密封的技术。环连接属于一种新近发展起来的管 道冷挤压连接技术。 二十世纪九十年代末,德国首先 提出了利用箍紧环实现金属管道连接的技术,紧接 着我国的中南大学与原长沙花纹铝板厂共同合作于 2000年3月也完成了该技术的研究,并成功应用于 冰箱生产线上的管道连接生产中。 经实践表明,冰箱管路系统中连接处往往是管 路系统密封性能的薄弱环节,最容易发生工作介质 的泄漏,因此有必要提高和保
2、证接头处的连接质 量。 这些管路的接头处历来采用焊接方法进行连接, 存在不小问题,最严重的问题是连接质量不可靠,焊 缝中或多或少会有气孔和夹渣,导致带着压力运行 的气态或液态工作介质的泄漏;其次是生产效率较 低。 该技术的使用,使得冰箱的制冷剂泄漏率由原来 的千分之一下降到万分之一以下 1 ,且还具有环保、 节能、 安全、 易于实现自动化、 降低成本等优点。 该技 术的使用,还可以将冰箱过去用的 60. 75mm铜 管改为 7. 50. 75mm铝管,使得每台冰箱直接节 约14. 43元,可见该技术具有明显的优势。 2环连接机理 2. 1连接前的准备工作 在该连接过程中需要用到连接设备为连接钳
3、、 扩口钳(有时用缩口钳)、 液压动力站。 在进行连接之 前,需要做一些准备工作,先确定连接管材的材料, 管径的大小,选择适当的管路附件 连接环,接着 准备好适用的密封剂(注意该密封剂最好是流动性 较好的液体,并且能够在缺氧的缝隙中较快地发生 固化 ) , 并调整两管的直径,使两管的连接端不紧不 松地套在一起。 由于制冷管路和控温管路都要求导热性较好, 一般由铝及铝合金或铜及铜合金制成,强度不高,塑 性较好,利用通常的管材扩口装置或缩口装置就能 实现某一管道管径的调整,无论两管连接端的直径 和壁厚原来相同还是不同,通过调整直径,使某一管 道内径比另一管道外径大0. 10. 2mm ,就能轻松
4、地把两管套在一起,两者之间的缝隙可用来容纳密 封剂。其中密封剂能填充两管接触面之间存在的擦 划产生的沟槽,能够提高其密封性能。 2. 2连接机理 其方法是先调整好所连接管道的管径,在连接 处内套管外表面滴上一小滴密封剂,将箍紧环沿轴 向推入并箍紧管道,使两管道实现相互连接。 被连接 的两管连接处与连接环套装后的情况如图1所示。 (a)外套管缩小的情况 一种新型的管道连接技术 周立强杨国庆杨务滋杨超 (中南大学机电工程学院,长沙410083) 摘要介绍了一种新型的冷挤压管道连接技术 环连接。该连接方法通过外力推动箍紧环使同种材料、 或不同材料的连接管道产生 弹塑性变形,从而实现管道之间的相互连接
5、和密封。该技术主要适用于有色金属小径薄壁管道连接,并已成功用于冰箱制冷管路系统的连接, 可以使得冰箱的制冷剂泄漏率由原来的千分之一下降到万分之一以下。本文重点地阐述了该连接方法的优点,其连接机理以及影响该连接质 量的主要因素,并提出了环的设计中应当注意的一些问题。 关键词管道环连接弹塑性变形连接机理连接强度 管道与管件 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 16化 工 设 备 与 管 道第41卷 (b)外套管增大的情况 图1管材在连接前套装后的纵向剖面图 (a)外套管缩小的情况 (b)外套
6、管增大的情况 图2管材在连接后的纵向剖面图 在图1的基础上利用通过动力站输出的液压油 驱动的液压钳推动环使环沿轴向箍紧外套轴,在外 力的作用下外套管的连接端发生塑性变形,变薄并 延伸,与此同时,外套管的内径变小,从而紧紧地贴 在内套管外表面上如图2。 上述过程在室温情况下进行,管材由于冷变形 而进一步强化,使两管连接得非常牢固,而且密封性 能极好,即使两管接触面上原来存在擦划沟痕,也由 施加了密封剂而消除了不良影响,同时,还由于伴随 着塑性变形而发生的弹性变形始终保持着,因此,在 整个使用期间管材连接的牢固性和密封性不会发生 变化,其有效期与管路的使用寿命同样长。 3影响连接的主要因素以及环的
7、设计 3. 1影响连接强度的主要因素 在该管道连接方式中,连接强度主要与材料的 特性、 环的形状及尺寸公差、 箍紧环的长度以及环滑 移的长度等因素有关。 (1)材料的特性对连接强度的影响 若箍紧环材料的屈服强度小于或接近外套管的 屈服强度,则箍紧环也会发生塑性变形而胀大,一方 面减少了外套管的变形,影响到连接强度,另一方面 如果箍紧环的抗拉强度和厚度比较小,环有可能被 拉裂,导致不能实现管材的连接。 若内套管的屈服强 度小于外套管的屈服强度,则内套管会有一定的径 向变形,并可能发生扭曲,从而在一定程度上阻碍管 内工作介质的正常运行,因而一般要求内套管的屈 服强度不小于外套管的屈服强度,这样内套
8、管的变 形较小,外套管被箍紧环紧紧地压在内套管外表面 上,并在箍紧环的箍紧力的作用下变薄而轴向延伸, 箍紧环也紧紧地贴在外套管上,从而有较高的连接 强度。因而一般选取外套管的材料的屈服强度小于 或等于内套管的屈服强度,环的屈服强度大于内外 套管的屈服强度。随着内套管、 外套管的强度增大, 则为了使它发生塑性变形所需的推力就越大,能耗 也越大。 与此同时,连接强度还与两管道材料接触摩擦 系数有关,对于相溶性较大的金属之间容易发生粘 着,因而摩擦系数大 2 。在接触处由于接触压力很 高,足以发生塑性变形,并在紧密的接触区使两表面 发生牢固粘着(冷焊)。 当两表面相对滑动时,这些粘 着点被切断,接着
9、又发生新的粘着。如铝-铝管、 铜 -铝管的连接,由于它们之间有较强的亲合力,在连 接过程中由于连接处的快速变形,温度有明显的提 高,铝-铝或铜-铝两管之间很容易发生冷焊,成为 一体,从而有利于提高连接强度和密封性能。 (2)环的形状及尺寸公差对连接强度的影响 由于需要靠箍紧环的箍紧力才能使外套管变形 压紧内套管,这样环的内孔需要有一定的锥度,为了 安装方便,内径大的一端应略大于外套管的外径,内 径小的一端略小于外套管的外径。为了减少推动环 所产生的外力,并减少外套管的变形,内孔锥角应当 取得比较小。 与此同时,单一的锥度使环的弹性恢复 全都是倾向于使外套管退出环的锥孔,而导致连接 不牢固,降低
10、了连接抗拉强度。所以,一般在环内径 小的一端应有一段圆柱形内孔,从而使此处发生的 弹性变形产生的弹性恢复的作用方向朝向管材中 间,一方面可以提高其连接的牢固(下转第19页) 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 192004年第2期 当NaOH的浓度和温度超出表3的规定时,则应 考虑采用含镍合金。 表3 碱液浓度%1020304050 温度 105110978277 5小结 通过以上分析比较化工厂各种典型的压力管道 选材,从总体上讲,对把握这部分管道材质的选择将 会起到事半功倍的效果;但工
11、艺管道具有复杂性和 特殊性,在选材时还需注意具体问题具体分析,特别 是对环境、施工难度以及经济性的充分考虑,从而 使装置达到安全、 稳定、 可靠、 长周期运行。 参考文献 1王志文等.压力容器安全技术及事故分析.北京:中国劳动出版 社,1993 2中华人民共和国建设部.工业金属管道工程施工及验收规范. 北京:中国计划出版社,1998 性和连接处的抗拉强度,另一方面可以提高连接处 密封性能的持久性。 (3)箍紧环的长度以及环滑移的长度对连接强 度的影响 用环连接方法连接的管道的抗拉能力主要来自 于弹性回复力作为正压力而产生的摩擦阻力,随着 箍紧环长度以及外套管发生塑性变形时伸出环出口 端所形成的
12、圆环长度的增加,均会使这种摩擦力增 加,并提高其连接强度。但随着环长的增加,则外套 管产生塑性变形时金属流动所遇的摩擦力会明显增 大,从而不利于连接。 与此同时,在连接过程中,必须 把环推到适当位置(一般要推到两管叠合处的中 间 ) , 若环的轴向位移过小,则外套管的变形未能使 内套管产生径向缩颈并充满环内壁与内套管之间的 空隙,导致连接强度的降低;若环的轴向位移太大, 则需要较大的推力,一方面会增大能耗,另一方面由 于夹持距离加长,有可能发生扭曲而阻碍管路内工 作介质的正常运行。 3. 2环的设计 (1)必须正确地选择环的材料。 其原则是连接材 料的屈服强度s或抗拉强度应大于外套管的屈服 强
13、度s,且两者的膨胀系数应当相同或十分接近。 (2)连接环内孔的形状非常重要,总体为圆锥形, 在直径较小的一端附近,应当有一段圆柱形内孔。 (3)圆锥形内孔大的一端直径应稍大于外套管的 外径,内径小的一端略小于外套管的外径,同时,应 当圆锥形的锥度应比较小,以减小外套管的变形程 度。 (4)应当努力改善环内孔壁的表面状况,尽可能 减少摩擦系数,以减少外套管金属流动的所遇的摩 擦阻力。 (5)在能够顺利实现管材连接的前提下,应当适 当增加环的长度,以提高连接处的抗拉强度。 (6)在确定好环材料的抗拉强度后,应当正确地 确定环的两端的壁厚,以防止在连接时环的开裂。 4结论 该冷挤压连接方法是一种新型
14、的管道连接方 法,能保证连接质量,在某些管道连接中可以替代传 统的螺纹连接和焊接,有其它连接方法无法媲美的 优点。 其连接质量主要取决于环的设计,以及两管的 材料和表面特性。该方法已成功应用于冰箱中管道 的连接,并大大地减少了冰箱的有害物质的泄漏,有 效提高了其质量和生产效率。 参考文献 1蒋咏秋、 穆霞英、 塑性力学基础.北京:机械工业出版社,1981 2杨务滋、 周立强.冷挤压环连接技术 技术鉴定资料.中南大学 机电工程学院液压所,2000. 12 (上接第16页) 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3Vol. 41 No. 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.