不锈钢水管卡压式连接设计原理

现在，DN250以内的金属管道连接，流行着一种国内称之为“卡压式”连接。特别是薄壁不锈钢管道，我国正大力推广卡压式连接。而这种连接方式常用的有两种，单卡连接(M型连接)和双卡连接(V型连接)，两者的连接原理是相同的。

在论述卡压式连接原理之前，首先说明它的密封连接原理是和产品名称的"卡压”是不粘边的，与挤压有关系，是属于承插式弹性密封挤压式连接 。

卡压式连接，是由瑞士工程师从传统的承插外性密封圈连接改良而成，是属干承插式弹性密封挤压式连接、它是利用金属可塑性强的特性，用专用工具，将金属管件承口密封槽部位挤压，使密封件发生弹性变形而达到密封效果。O形弹性密封圈的压缩率最佳值为15%-25%。挤压的过程中，也将管子与管件承口配合处，挤压变形成为多边形或椭圆形。如:六角形、八角形和梨形等......使管件与管子两者间不会产生径向和轴向移动，实现管道无泄漏和无移位的绝对密封连接。

我国已经有了一套完整的国家标准: GB/T 19228. -2011 不锈钢卡压式管件组件 第1部分卡压式管件，GB/T19228.3-2012 O形橡胶密封圈，要设计出一款好的卡压式管件，必须要熟悉O形密封圈的静密封原理和技术要求。O形密封圈是一种挤压型密封， 挤压型密封的基本工作原理是:依靠O形密封圈在密封槽里发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触压力大于被密封介质的内压，则不发生泄漏，反之则发生泄漏。在用于静密封时，密封接触面接触压力产生原因和计算方法与动密封原理不尽相同，请注意。

O型圈截面直径的压缩率和拉伸量是密封设计的主要内容,对密封性能和使用寿命有重要意义。所以，管件承口的设计前，应在标准中选取相应的密封圈。井根据所选择的密封圈有关数据，作为设计的承口密封槽的依据来设计承口。O型密封圈有良好的密封效果很大程度上取决于O型圈尺寸与沟槽尺寸的正确匹配形成合理的密封圈压缩量与拉伸量。

压缩率w通常用下式表示

W=d0-h/d0 x 100%

式中d0 O型圈在自由状态下的截面直径(mm);

h-- O型圈槽底与被密封表面的距离-沟槽深度，即O型圈压缩后的截面高度(mm)在选取O形圈的压缩率时,应从如下三方面考虑:

1、要有足够的密封接触面积；

2、摩擦力尽量小；

3、尽量避免水久变形。

O型圈在装入密封沟槽后，一般都有一定的拉伸量。与压缩率一样,拉伸量的大小对O型圈的密封性能和使用寿命也有很大的影响。拉伸最大不但会导致O型圈安装困难，同时也会因截面直径d0发生变化而使压缩率降低，以致引起泄漏。

拉伸量a可用下式表示

a=(d+d0)/(d1+d0)

式中d- -轴径(mm)   d1- O形圈内径(mm)

从以上这些因素不难发现，他们相互之间存在矛盾，压缩率大就可获得大的接触压力，但是过大的压缩率无疑就会增大滑动摩擦力和永久变形。而压缩率过小则可能由于密封沟槽的同轴度误差和O形圈误差不符合要求,消失部分压缩量而引起泄漏。因此在选择O形圈的压缩率时，要权衡各方面的因素。一般静密封压缩率大干动密封，但其极值应小于25%,否则压缩应力明显松弛,将产生过大的水久变形，在高温工况中尤为严重。

综合上述，卡压式管件的设计，在选择O形密封圈后，密封槽的设计最重要。而不是某些“专家”和“权威"所说的，是管件的管子插入端的端口外侧到密封槽中心之距离。双卡管件端口的平直段，其功能为管子插入的导向。实际也是如此，双卡管件端口的平直段与密封毫无关系。如果单，双卡管件密封槽的设计是一致的。那么一个卡压工具，可挤压同一规格的单双卡管件了，多方便啊!

卡压式管件的设计的另一个要求是:承口的密封槽压缩后的尺寸应与O形圈尺寸应正确匹配，但密封槽已经标准化、可直接套用为压缩后的尺寸即钳口的尺寸。难的是压缩前密封槽的尺寸和形状的设计，使之在压缩后密封槽的尺寸和形状与标准密封槽相同。所以，承口密封槽压缩前的壁厚要均匀，各点壁厚的误差不应大于或少于产品要求壁厚的5%。因为密封槽的壁厚均.

  匀程度，会影响到密封槽被挤压后变形是否能达到标准要求。若压缩后尺寸和截面形状严重超差，公影响到管件的密封性和使用寿向。

现在卡压式管件加工方法，不外乎芯棒成形、空腹成形和内压成形，或者多种加工工艺混合成形。内压成形又分为固体(弹性体，冰或低熔点金属)填充的内压成胆和液体填充内压成形。

多种加工方法之中，能控制壁厚均匀程度的，应该是内压成形工艺。当管件挤压胀形时，坯件将产生大位移和大变形。既存在材料非线性，又存在几何非线性，变形机制较为复杂。为了正确地揭示其变形规律，须采用非线性连续介质力学理论进行描述。以双重非线性塑性变形特征的有限变形理论为基础，所建立的动力分析有限元方程为:

该式可采用基本于时间中心时间差分的显式方法求解，其中由于有限阻尼自由振动问题中，质量及阻尼系数的大小并不影响平衡位置，即不影响位移场u。只是影响振动趋于稳态位置所需的时间，因而在设计动力算法求解位移场时，应选取合适的质量矩阵及阻尼矩陈以利求解，即质量矩阵采用对角化处理。阻尼系数选取临界阻尼系数以得到较快的收敛速度。

增大胀形力和平衡力，提高变形金属的静液体压力，将有效地提高管坏金属的成形极限，而对管件的成形过程及壁厚变化不产生影响。

在设计和生产卡压式连接管件时，只需把握好上述的要点，一定能够生产出壁厚均匀，结构合理的优质的产品，实现管道无泄漏和无移位的绝对密封连接，生产出使用寿命50年以上的卡压式管件。

若各卡压式管件生产企业，使够按上述去做，我国的卡压管道产品，就可以做到互相通用，不再埋怨什么工具问题和标准问题了，可以冲向世界!