舰船40MPa高压空气管接头和法兰研究

第３０卷第２期　２００８年４月　舰船科学技术　ＳＨＩＰ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖｏ１．３０，Ｎｏ．２　Ａｐｒ．，２００８　

舰船４０ＭＰａ高压空气管接头和法兰研究　

王新海　，景东风　，王晓东　，马士虎　（１．海军驻渤海造船厂军事代表室，辽宁葫芦岛１２５００４；　２．中国船舶重工集团佘司第七一九研究所，湖北武汉４３００６４）　

摘　要：　详细介绍了舰船４０　ＭＰａ高压空气管接头和法兰的整个研究过程，论述了舰船对４０　ＭＰａ高压空气管　的密封要求，通过理论分析和力学计算，设计出不同密封结构的高压管接头和法兰，结合各不同试件加工性能、安装　特性、强度试验和密封性试验等情况的综合对比分析，确定了适合舰船应用环境的高压管路密封结构，成功地解决了　ＤＮ３２和ＤＮ５０两种通径４０　ＭＰａ高压空气管路的连接和密封问题。　关键词：　高压空气；管接头；法兰；密封　中图分类号：　Ｖ４３５　．４　文献标识码：　Ａ　文章编号：　１６７２—７６４９（２００８）０２—０１０２—０５　ＤｏＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２００８．０２．０２０　

Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｐｉｐｅ　ｔｈｒｅａｄ　ｊｏｉｎｔ　ａｎｄ　ｆｌａｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗａｒｓｈｉｐ　４０　ＭＰａ　ｇａｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ＷＡＮＧ　Ｘｉｎ．ｈａｉ　。ＪＩＮＧ　Ｄｏｎｇ．ｆｅｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ．ｄｏｎｇ　，ＭＡ　Ｓｈｉ－ｈｕ　（１．Ｍｉｌｉｔａｒｙ　Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ　Ｏｆｆｉｃｅ　ｉｎ　Ｂｏｈａｉ　Ｓｈｉｐｙａｒｄ，Ｈｕｌｕｄａｏ　１　２５００４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｔｈｅ　７１９　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ＣＳＩＣ，Ｗｕｈａｎ　４３００６４，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｎ　ｐｉｐｅ　ｔｈｒｅａｄ　ｊｏｉｎｔ　ａｎｄ　ｆｌａｎｇｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｗａｒ－　ｓｈｉｐ　４０　ＭＰａ　ｇａｓ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｗｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　４Ｏ　ＭＰａ　ｇａｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｗａｒｓｈｉｐ　ｓｕｆｆｉ—　ｃｉｅｎｔｌｙ，ｂｙ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｏｅｒｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｕｎｔ，ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｔｈｅ　ｐｉｐｅ　ｔｈｒｅａｄ　ｊｏｉｎｔ　ａｎｄ　ｆｌａｎｇｅ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅｎ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒａｓｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｉｎｓｔａｌｌｉｎｇ　ｃｈａｒａｃ－　ｔｅｒｉｓｔｉｃ，ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｏｆ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｗｅ　ｈａｖｅ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｉｎ　ｗａｒｓｈｉｐ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｐｉｐｅ，ｒｅｓｏｌｖｅｄ　ｊｏｉｎｔ　ａｎｄ　ｓｅａｌｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ＤＮ３２　ａｎｄ　ＤＮ５０　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｉｒ　ｐｉｐｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇａｓ；ｔｈｒｅａｄ　ｊｏｉｎｔ；ｆｌａｎｇｅ；ｓｅａｌ　

０　引　言　随着舰船技术的发展，高压空气系统向提高压力　级和增大高压空气管路通径２个方向发展。如，目前　舰船高压空气系统压力级为２５　ＭＰａ，以后将提高至　４０　ＭＰａ；目前高压空气管路最大通径为ＤＮ３２，以后　将增大至ＤＮ５０。由此带来了４０　ＭＰａ高压空气管路　的连接和密封问题。在管路系统中，ＤＮ３２及以下管　路采用螺纹接头连接，大于ＤＮ３２管路采用法兰连　接。因此，需要解决４０　ＭＰａ高压空气ＤＮ３２螺纹接　头和ＤＮ５０法兰问题。　４０　ＭＰａ高压空气管接头和法兰性能指标如下：　收稿日期：２００７—０８—２２　作者简介：王新海（１９８０一）　男，从事船舶系统技术研究工作。　工作压力：４０　ＭＰａ；　工作介质：高压空气；　公称通径：ＤＮ３２，ＤＮ５０；　工作介质温度：一４０℃～＋６０℃。　１　对舰船高压螺纹接头和法兰的特殊要求　由于舰船环境的特殊性，对于舰船４０　ＭＰａ高压　空气螺纹接头和法兰，除了满足常规要求外，还需要　从以下５个方面进行考虑：密封可靠性、可操作性、可　拆卸与恢复性、工艺复杂性和匹配性。　１．１密封可靠性　

指在特定的环境条件和规定工作时间内保持密　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　王新海，等：舰船４０ＭＰａ高压空气管接头和法兰研究　－１０３・　封性能的能力。高压空气螺纹接头和法兰将承受压　力交变、温度交变、振动冲击等作用影响，密封能力会　逐渐下降。而根据有关海军规范要求：高压空气管路　在１０年内不能维护，对密封可靠性要求极高。　１．２操作性　安装工艺应简单，不需要大型设备或工具，安装　力矩不大，操作空间小，在少量管路轴线偏移、倾斜时　仍能保证密封性能。由于舰船内部空间狭小，不可能　提供很大的操作空间，可操作性直接影响到管路系统　的施工质量，并进而关系到使用人员的安全。　１．３拆卸与恢复性　在舰船上应可以拆卸螺纹接头和法兰，应避免切　割和重新焊接管路，避免由此带来的管子酸洗、无损　探伤、水压强度试验或拆卸其他管段等牵连工作，在　复装后应仍可保证密封性能。　１．４　复杂程度　螺纹接头和法兰结构不能过于复杂，以便于批量　制造及在舰船内部维修。　１．５　匹配性　螺纹接头和法兰上采用的密封结构应也可在高　压设备、阀门接口上实现，避免在管路与设备或阀门　连接时再次采用转换接头（法兰）。　２　组成与结构　２．１　螺纹接头　ＤＮ３２高压管路螺纹接头由平肩、旋入接头、螺　母、密封件组成，如图１所示。　旋　左　入　密　右　营　平　接　螺　封　平　营　路　肩　头　母　件　肩　路　

图１　ＤＮ３２螺纹接头组成原理图　Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｐｉｃ　ｃｏｍｐｏｓａｌ　ａｎｄ　ｐｒｉｎｃｉｐｉｕｍ　ｏｆ　ＤＮ３２　ｔｈｒｅａｄ　ｊｏｉｎｔ　平肩与管路对焊，采用与高压空气管路相同材料　以保证强度。旋入接头和螺母采用不同材料制造，避　免螺纹咬合。　２．２法兰　ＤＮ５０高压法兰由２只法兰和１个密封垫组成，　如图２所示。法兰与管路对焊，采用与高压空气管路　相同材料以保证强度。　营路　左法兰密封垫右法兰营路　

图２　ＤＮ５０法兰组成原理图　Ｆｉｇ，２　Ｔｈｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓａｌ　ａｎｄ　ｐｒｉｎｅｉｐｉｕｍ　ｏｆｔｈｅ　ＤＮ５０　ｆｌａｎｇｅ　３　力学分析　力学分析包括以下内容：　１）平肩连接件及法兰壁厚计算；　２）密封比压计算；　３）螺母及螺栓摩擦力矩计算；　４）螺纹强度及螺栓强度计算。　限于篇幅，只简单介绍１）和２）两种方法。　３．１　壁厚计算　由于螺纹接头（或法兰）与管道对焊，因此可参　照《舰船通用规范》中“管壁厚度计算方法”进行。　１）受内压的钢管、铜管和铜合金管的壁厚应不　小于按下列公式计算所得之值：　６＝０（６０＋ｂ＋ｃ）。　（１）　式中：６为最小计算壁厚，ｍｍ；ｏ为管子负公差修正　系数；６。为基本计算壁厚，ｍｍ；ｂ为弯制附加余量，　ｍｍ；ｃ为腐蚀余量，ｍｍ。　２）钢管、铜管和铜合金管的基本计算壁厚６。应　按下式计算：　６。　：　。　（２）　式中：６。为基本计算壁厚，ｍｍ；Ｐ为设计压力，ＭＰａ；　Ｄ为管子外径，ｍｍ；［ｏｒ］为许用应力，Ｎ／ｍｍ　；ｅ为焊　接有效系数。对于螺纹接头平肩和法兰本体，焊接有　效系数ｅ＝１。　３．２密封比压计算　根据材料的接触应力计算出相应的连接件最大　轴向载荷，作为进行螺纹强度计算的依据。Ｂｕｃｈｔｅｒ　Ｈ　Ｈ对金属密封进行的试验研究（《金属垫片密封研　究进展》）表明，金属密封面的接触区产生弹性变形　的接触力不能形成耐高压的紧密密封，只有在密封接　

触力使接触面产生永久变形时，才能形成密封，且密　维普资讯 http://www.cqvip.com －１０４・　舰船科学技术　第３０卷　封接触力是垫片材料屈服强度的两倍。　［ｑ］＝２ｃｒｏ　２。　（３）　式中：［ｑ］为接触比压，ＭＰａ；　。：为屈服强度，ＭＰａ。　４　密封设计　密封设计是研究４０　ＭＰａ高压空气螺纹接头和法　兰的关键问题。按照选用密封件分类，在４０　ＭＰａ高　压空气螺纹接头和法兰上可能采用的密封结构有６　种：平垫片、橡胶Ｏ形圈、空心金属Ｏ形环、锥面密　封、透镜垫和八角垫。　４．１　平垫　平垫密封一般适用于温度不高、压力及温度波动　不大的中小型压力设备上，具体使用范围见表１。　表１平垫使用范围　Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ｆｌａｔ　ｇａｓｋｅｔｓ　

用于平垫密封的垫片材料，一般为软金属，密封　表面一般刻有锯齿，推荐使用的材料及性能如下：　１）退火铝：硬度（ＨＢＳ），１５～３０；　２）退火紫铜：硬度（ＨＢＳ），３０～５０；　３）软钢；　４）奥氏体不锈钢。　目前，舰船使用的ＣＢ３１６—９５高压空气管子螺　纹接头即采用表面带锯齿的紫铜平垫，如图３所示。　

图３锯齿紫铜垫　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｐｕｒｐｌｅ—ｃｏｐｐｅｒ　ｇａｓｋｅｔｓ　ｗｉｔｈ　ｓａｗｔｏｏｔｈ　锯齿紫铜平垫表面粗糙度Ｒａ２５，密封面表面粗　糙度一般要求不高于Ｒａ６．３。　４．２橡胶Ｏ形圈　Ｏ形圈的使用压力范围很宽，从１．３３３×１０　Ｐａ　的真空，到４００　ＭＰａ的高压（动密封达３５　ＭＰａ）。ＣＢ　８２２—８４型２５　ＭＰａ高压管子螺纹接头中采用了Ｏ　形圈作为密封件。　从密封性来看，Ｏ形圈是非常理想的静密封件。　但是当它的压缩变形率选择不当时，则可能发生泄　漏。通常根据经验来确定压缩变形率，对圆柱面上的　静密封，压缩变形率取１３％～２０％；对于平面或法兰　上的静密封取１５％～２５％。　橡胶的硬度值也是需要考虑的因素。一般机械　用Ｏ形圈，邵尔硬度应在７０～９０之间。但在内压　低、摩擦的场合下，硬度允许低于７０。而在高压下或　转动使用中，可以高于９０，但很少使用。　挡圈的作用在于防止Ｏ形圈发生挤出现象，提　高其使用压力。如果单向受压，则在承压侧用一个　挡圈；如果双向受压则用２个挡圈（见图４）。对于　静密封，内压在３２　ＭＰａ以下不用挡圈，超过此值用　挡圈。　挡圈　挡圈　

（ａ）　（ｂ）　图４挡圈示意图　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｌｏｃｋ　ｒｉｎｇｓ　４．３空心金属Ｏ形环　空心金属Ｏ形环密封的局部结构如图５所示。　这种密封因耐高温、耐腐蚀，气密性好，故特别适用于　高温、高压及高真空密封的场合。　

图５空心金属Ｏ形环　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｈｏｌｌｏｗ　ｍｅｎｔａｌ　Ｏ—ｒｉｎｇｓ　空心金属Ｏ形环结构有以下３种类型：　ａ型为非自紧Ｏ形环，用在较低压力场合，可以　密封真空介质及有腐蚀性的液体或气体介质。　ｂ型为充气Ｏ形环，在封闭的Ｏ形环内充惰性　气体，可增加环的回弹能力，用于高温场合。Ｏ形环　的充气方法，一般是采用在管子焊接之前，将固态二　氧化碳或偶氮二异丁腈放入管内，焊接后再使之气化　变成气体，或者直接充高压惰性气体。　ｃ型为自紧Ｏ形环，在环内侧钻有若干小孔，由　于管内压力随介质压力的增高而增高，环有自紧性　能，用于高压超高压场合。在高压管接头和法兰中可　采用ｃ型自紧Ｏ形环。