寇永樂，劉繼高，隋 健，李培力，劉慧超

（中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032）

1 幾種常用的密封形式

1.1 外徑密封

密封鋼管外徑，稱為外徑向大間隙密封，廣泛應(yīng)用于直徑小于Φ508 mm的鋼管試壓中。外徑密封的最高試驗壓力可達(dá)140 MPa，由于是密封鋼管的外徑，因此模具結(jié)構(gòu)尺寸只與鋼管外徑有關(guān)；另一方面，由于是要密封鋼管外徑，因此作為施壓工具的模具尺寸相對較大，因而對于直徑大于Φ508 mm的鋼管不適宜采用外徑密封形式。外徑向大間隙密封示意圖如圖1所示。

圖1 外徑向大間隙密封示意圖

1.2 內(nèi)徑密封

密封鋼管內(nèi)徑，稱為內(nèi)徑向大間隙密封，廣泛應(yīng)用于直徑大于Φ355 mm小于Φ720 mm的鋼管，最高試驗壓力可達(dá)140 MPa。由于采用密封鋼管的內(nèi)徑，因此模具的尺寸相對較小，但是由于鋼管的壁厚范圍較大，因此所做模具的型號也多；另外，由于要對鋼管的兩端部位內(nèi)徑方向進(jìn)行密封，因此對設(shè)備的同心度要求高，而對于直線度較差的大口徑鋼管試壓有一定難度，因此內(nèi)徑密封使用也有一定的局限性。內(nèi)徑向大間隙密封示意圖如圖2所示。

1.3 端面密封

端面密封模具結(jié)構(gòu)相對簡單，并且對于不同型號鋼管無需更換試壓模具，因此所需要的工模具相對而言少得多，對被試壓鋼管的對中性要求也低。但由于受密封本身性能的影響，端面密封模具試驗壓力一般不超過30 MPa，而大口徑鋼管的試驗壓力相對較低，因此廣泛用于大口徑鋼管的試壓。端面密封示意圖如圖3所示。

圖2 內(nèi)徑向大間隙密封示意圖

2 影響端面密封試壓效果的因素

2.1 端面密封材料硬度對于試壓效果的影響

端面密封材料為聚氨酯或者改性尼龍，其硬度對試壓效果影響顯著，本文分析對比3種材料硬度對鋼管試壓壓力的影響。

（1）材料邵氏硬度低于90：試驗結(jié)果表明此硬度最高試驗壓力為10 MPa，大于10 MPa后密封嚴(yán)重變形，產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象。

（2）材料邵氏硬度大于90小于94：試驗結(jié)果表明此硬度最高試驗壓力為15 MPa，大于15 MPa后密封嚴(yán)重變形，產(chǎn)生翹曲現(xiàn)象。

（3）材料邵氏硬度為96：試驗結(jié)果表明此硬度最高試驗壓力為28 MPa，密封使用壽命長。

圖3 端面密封示意圖

由此可見，內(nèi)、外徑密封一般應(yīng)用于試驗壓力較高的場合，而端面密封則應(yīng)用于壓力低于30 MPa的情況下，作者建議端面密封使用壓力≤20 MPa。

并不是說端面密封材料的硬度越高越好，由于材料硬度過大，密封脆性大，在使用過程中容易出現(xiàn)裂紋；另外由于密封硬度大，對鋼管的密封性能下降。

2.2 端面密封模具擺角對于試壓效果的影響

端面密封是靠對鋼管端面進(jìn)行密封，因此若鋼管端面斜度較大，而模具本身又不具有一定的補(bǔ)償量，則起不到密封的效果，試驗壓力也就建立不起來，所以在設(shè)計中必須考慮模具留有一定擺角，一般情況下，擺角控制在2°左右，如圖4所示，模具可以沿球面有小角度的擺動。

圖4 擺動接頭體示意圖

2.3 軸向壓力對端面密封試壓效果的影響

模具受力示意圖如圖5所示。在試壓過程中，為保證對鋼管端面進(jìn)行有效密封，須在鋼管兩端面施加軸向力P2，而鋼管內(nèi)部又受到高壓水的作用，對試壓模具有一反作用力P1。P1取決于鋼管內(nèi)徑和試壓壓力，而軸向力P2設(shè)置的大小是決定整個試壓過程成功與否的關(guān)鍵。若P2＜P1，顯然試壓過程無法實現(xiàn)，必須要求P2＞P1，但具體數(shù)值取決于以下兩方面因素。

2.3.1 密封所需的力

若要對鋼管端面進(jìn)行密封，密封圈本身需要有一定的壓縮變形量ΔL，一般ΔL在5 mm左右。在密封圈彈性變形范圍內(nèi)，密封圈受力P3可粗略按下式計算：

圖3 控制系統(tǒng)梯形圖

其中：L為密封圈厚度；A為試壓鋼管截面積；E為密封圈的彈性模量。

圖5 模具受力示意圖

所以密封圈受力為：

為實現(xiàn)對鋼管端面的密封，要求施加在鋼管端面的力P2既要大于鋼管內(nèi)部受到高壓水的作用力P1，又要克服密封本身變形所受之力，即：

圖3 控制系統(tǒng)梯形圖

為確保試壓正常進(jìn)行，一般情況下實際設(shè)置的P2的數(shù)值要大于理論計算值（公式（3）計算所得）。

2.3.2 鋼管強(qiáng)度與穩(wěn)定性

由于鋼管自身受軸向力作用，一方面要校核其抗壓強(qiáng)度，另一方面需要校核其抗壓穩(wěn)定性，這對于直徑小、長度大、壁厚薄的鋼管尤為重要。

圖6、圖7、圖8是在中國重型機(jī)械研究院為國內(nèi)某鋼廠設(shè)計制造的Φ720水壓機(jī)所做的關(guān)于鋼管試壓壓力與P1和P2的關(guān)系圖。由圖6～圖8可以看出，隨著試壓壓力的增加，P1和P2也隨之增大。

圖6 Φ530×52鋼管試壓壓力與P 1、P 2關(guān)系圖

3 結(jié)語

本文分析了外徑密封、內(nèi)徑密封以及端面密封使用的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍，研究了影響鋼管端面密封試壓效果的因素，為實際設(shè)計大口徑端面密封模具提供了有力依據(jù)。

圖7 Φ608×30鋼管試壓壓力與P 1、P 2關(guān)系圖

圖8 Φ559×20鋼管試壓壓力與P 1、P 2關(guān)系圖

［1］ 劉繼高.國產(chǎn)首臺全自動高壓水壓試驗機(jī)［J］.重型機(jī)械，2001（1）：9－11.

［2］ 成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.