沟槽式卡箍及管件的结构分析

摘要：沟槽式卡箍由于其橡胶密封圈和卡箍采用特殊的密封结构设计，使得沟槽连接件具有良好的密封性。为了证明沟槽式卡箍结构的可靠性以及了解卡箍在工作时的应力分布，根据标准ＪＢ／Ｔ４７３２—１９９５对沟槽式卡箍的强度进行了应力分析及评定。分析表明，沟槽式卡箍的结构能够满足设定压力下的强度要求，应力集中位置位于卡箍内侧的圆角处，通过对该部位的加强可以提高卡箍的整体强度和安．全性。

０前言

传统的管道连接常使用焊接和法兰连接的方式。采用这些连接方式不但需要有相应技能的焊接工人，而且工人的操作难度大，装配时间长，同时还存在焊接烟尘污染等问题。由于操作空间和焊接技能的差异，焊接质量和外观都难以达到满意的结果。由于操作空间小，管道在一些墙角的安装非常困难，从而影响工程的整体进度和质量。沟槽式卡箍由于其橡胶密封圈和卡箍采用特殊的密封结构设计，使得沟槽连接件具有良好的密封性，并且随管内流体压力的增高，其密封性相应地增强，因此沟槽式卡箍可以应用于常压及高压的各种工况。

目前沟槽式卡箍广泛应用于各种较小规格尺寸的管路连接，如建筑给排水管路、自动喷水灭火系统、通风与空调工程、海水淡化管路系统等。

１密封结构

如图１所示，沟槽式卡箍及管件主要由四部分组成：Ｃ形密封橡胶圈、卡箍、连接管件和锁紧螺栓。位于内层的Ｃ形橡胶密封圈置于被连接管道的外侧，并与预先车制的沟槽相吻合，在橡胶圈的外部扣上卡箍，然后用两颗螺栓紧固即可。

密封圈截面为“Ｃ”形，在静态时贴紧管道末端表面形成初次密封；卡箍锁紧时垫圈受到来自卡箍内部限制的压力，被动压制在管道末端，形成二次密封；管道内流体进入Ｃ形圈内腔，反作用于垫圈唇边，从而使垫圈唇边与管道末端无间隙地紧密配合，形成三次密封。也就是说，管道内液体压力越大，密封性能越好［１］。连接管件上有机械加工的沟槽，安装时卡箍两端嵌入沟槽，防止管件轴向窜动。锁紧螺栓采用圆头椭圆径螺栓，安装时只需单边紧固即可实现卡箍的安装。

图１沟槽式管接件结构

２材料

建筑给排水管路用沟槽式卡箍一般使用球墨铸铁件，其优点是强度高、延伸性好以及耐腐蚀性能好。劣质的球墨铸铁或铸钢管件安装在管道上后，抗疲劳性能差，在长年的使用中一旦断裂或爆炸，即造成水灾。利用废钢生产的铸钢管件容易变形、生锈，铸钢卡箍管件如不进行热熔镀锌处理，会出现片状形生锈，很容易造成管道泄漏［２］。

海水淡化管路采用沟槽式卡箍时，由于需要承受较高压力以及海水的冲蚀，一般使用双相不锈钢制作。由于不锈钢卡箍没有相应的规范及标准，因此卡箍的结构及性能无法得到可靠保证。

３沟槽式卡箍的应力分析

为了证明沟槽式卡箍结构的可靠性以及了解卡箍在工作时的应力分布，根据ＪＢ／Ｔ４７３２—１９９５《钢制压力容器——分析设计标准》使用ＡＮＳＹＳ软件模拟沟槽式卡箍和管件在实际工作状态下的应力分布，对卡箍的应力集中部位进行分析，以确保该工况下沟槽式卡箍和管件具有足够的强度。

３．１材料性能

沟槽式卡箍及管件材料可选用双相不锈钢，材料参数按表１选取。表１双相不锈钢材料性能

３．２建模

（１）几何模型和网格划分

模型尺寸按照ＤＮ４０规格进行制作。根据卡箍几何结构的对称性，取卡箍及连接管件的环向１／４建立模型。在有限元模型建立的过程中，只考虑卡箍和管件的强度，而不考虑温度场及管内腐蚀介质对卡箍的影响。几何模型和网格划分如图２所示。

图２沟槽式管件的几何模型及网格划分

（２）位移边界条件和载荷

划分网格后，在连接管件的内壁及沟槽式卡箍与橡胶密封圈的接触面施加设计压力２０ＭＰａ；在沟槽式卡箍、管件和紧固螺栓的截面施加对称约束；在紧固螺栓的截面上施加Ｚ向的位移约束，限制紧固件的轴向位移。位移边界条件和载荷见图３。

图３位移边界条件及载荷

３．３应力分析结果

根据标准要求，选用第三强度理论对卡箍应力进行分析，分析结果如图４所示。

对卡箍上应力集中的危险截面进行路径线性化，共选取２条路径，如图５所示。应力评定结果见表２。

图４卡箍应力云图

图５卡箍应力路径

表２沟槽式卡箍应力评定

由表２可见，沟槽式卡箍的应力集中部位的应力远远小于材料的许用极限，这证明卡箍的厚度在设计压力下仍然具有较大的裕量，可以通过适当的减薄来提高卡箍的使用效率，降低生产成本。

４压力试验

为了验证沟槽式卡箍的结构设计及性能，参照ＧＢ５１３５．１１—２００６《自动喷水灭火系统－沟槽连接件》标准要求，采用机械加工制作了ＤＮ４０、ＤＮ５０、ＤＮ８０不锈钢沟槽式卡箍，材料为２２０５不锈钢，使用公司自制的沟槽式管件试验平台进行压力试验和接头偏转角试验。

４．１试验方法

试验组件充满水并排除空气，管路内的压力以不超过２ＭＰａ／ｍｉｎ的速率递增，直至达到试件的额定工作压力（８．３ＭＰａ），保压１０ｍｉｎ。然后在卡箍表面竖直施加力矩，用角度传感器测出沟槽管接头（卡箍）轴线与水平直管的角度α１（α１＝１８０°），满足偏转角角度要求并且无任何泄漏为合格。

４．２试验结果

（１）压力试验。通过压力变送器的数字显示确定所达到的试验压力８．９ＭＰａ，并进行保压。卡箍均保压１０ｍｉｎ，泄漏数值在０．０５ＭＰａ之内，此为压力变送器数值浮动范围（震动、碰撞均有可能引起数值轻微浮动）。试验过程中及试验后，不锈钢沟槽式卡箍外观无异常，未发现泄漏现象。

（２）偏转角试验。使用顶压油缸对卡箍结构进行顶压，偏转角分别为３．０８°和２．０６°。试验过程中及卸载顶压压力后，ＤＮ５０不锈钢沟槽式卡箍外观无异常，未发现泄漏现象。接头偏转角如图６所示。试验表明，在该额定工作压力下，卡箍的承压性能及密封性能完全满足要求。

图６接头偏转角试验

５结语

沟槽式卡箍及管件的使用，使复杂的管道连接变得更加简单快捷。通过分析证明，沟槽式卡箍的结构能够满足较高设计压力下的强度，具有较多的优势。卡箍中应力集中位置位于卡箍内侧的圆角处，通过对该部位的加强可以提高卡箍整体的强度和安．全性。

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