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TECHNICAL PAPER流體傳輸外徑規(guī)格管、管件及管路浙江華夏閥門有限公司 高級工程師 徐長祥重慶大學(xué) 復(fù)合傳動與控制研究室教授 唐中一 (發(fā)表于中國機(jī)械工程學(xué)會2007年會) 內(nèi)容提要：傳統(tǒng)管路以管公稱通徑標(biāo)稱規(guī)格，叫內(nèi)徑規(guī)格管路(pipe line)；現(xiàn)代高可靠管路系統(tǒng)以實(shí)際管外徑標(biāo)稱規(guī)格，叫外徑規(guī)格管路(tubing run)，還鮮為中國人知。根據(jù)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，外徑規(guī)格管路至少須通過2倍額定工作壓力的強(qiáng)度測試和4倍額定工作壓力的破裂測試，主要用于流體動力傳輸與易燃易爆介質(zhì)輸送；內(nèi)徑規(guī)格管路最多只通過1.5倍額定工作壓力的強(qiáng)度測試，只能用于普通介質(zhì)輸送。管擠壓連接技術(shù)是外徑規(guī)格管路發(fā)展的核心和基礎(chǔ)。AutoTights單、雙箍共ISO 89434-1標(biāo)準(zhǔn)體式管擠壓連接件，按自主創(chuàng)新結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)，一掃現(xiàn)有感性結(jié)構(gòu)弊病，更有利于推動高可靠管路系統(tǒng)的發(fā)展。關(guān)鍵詞：內(nèi)徑規(guī)格管(Pipe) 外徑規(guī)格管(Tube) 內(nèi)徑規(guī)格管件 外徑規(guī)格管件 內(nèi)徑規(guī)格管路 外徑規(guī)格管路 1 外徑規(guī)格管路概念歷史上最早的管路是水暖管路，以管螺紋連接，以通水管的公稱內(nèi)徑標(biāo)稱管及管件規(guī)格，乃至后來的工業(yè)管路也以公稱通徑標(biāo)稱管及管件規(guī)格，如DN15的管及管件是指公稱通徑為15mm的管及管件，NPS1/2的管及管件是指公稱通徑為1/2吋的管及管件，其中DN(Nominal diameter)是國際公稱通徑代號，NPS(Nominal pipe size)是英制傳統(tǒng)通徑代號，其中數(shù)字是通水直徑大小代號而不是實(shí)際管內(nèi)徑。但是，隨著工業(yè)的發(fā)展和管擠壓連接結(jié)構(gòu)的誕生，為使普通水暖管和管接件及相關(guān)設(shè)備不至于混裝入高壓高溫高可靠系統(tǒng)，人們就逐步嘗試用可耐高壓高溫的管擠壓連接建造高可靠管路系統(tǒng)，并以更適合于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際管外徑為規(guī)格。可耐高壓高溫的管擠壓連接技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)一步促進(jìn)流體管路從大流量/低壓力向小流量/高壓力發(fā)展，以滿足財(cái)經(jīng)的、環(huán)境的和性能的要求。隨著小流量/高壓力系統(tǒng)內(nèi)外壓力的增大、真空度的提高、流速和換向的加快以及隨之而來的振動或脈沖的加劇，人們越來越依賴可耐高壓和劇烈振動的管擠壓連接建造高可靠管路系統(tǒng)，乃至外徑規(guī)格管路在流體動力傳輸和易燃易爆介質(zhì)輸送領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。相對中文的流體傳輸“管”字，英語里有Pipe和Tube兩個(gè)詞。根據(jù)我們的研究，就廣義而言，可以說Pipe就是Tube，但Tube意在“管型”結(jié)構(gòu)(中空的)，Pipe意在“管為”原義(導(dǎo)流的)，例如，電子管、內(nèi)輪胎、皮劃艇、隧道等都可叫“tube”——因?yàn)樗鼈兪侵锌盏模鼰煻房山小皃ipe” ——因?yàn)樗菍?dǎo)流的；就流體傳輸而言，Pipe不是Tube，人們總是明確地用Pipe指代以公稱通徑標(biāo)稱規(guī)格的硬管，用Tube指代以實(shí)際外徑標(biāo)稱規(guī)格的硬管和軟管，用Pipe fitting指代通徑規(guī)格管件，用Tube fitting指代外徑規(guī)格管件，用Pipe line指代通徑規(guī)格管路，用Tubing run指代外徑規(guī)格管路；就試壓標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定而言，相關(guān)兩者要求截然不同，相差十分懸殊。但是，直到目前為止，無人將與Pipe和Tube有關(guān)的不同概念翻譯引進(jìn)中文，甚至外國在中國的相關(guān)供應(yīng)商也未將他們在中國銷售的Tube fitting翻譯成“外徑規(guī)格管接件”。例如，世界著名的Swagelok公司就未將他們的網(wǎng)上英文說明： “Worldwide demand for greater levels of efficiency, emissions control, and safety for power production means increased mechanical demands on tube fittings, tubing runs, and other system-related equipment.” 準(zhǔn)確地翻譯成： “全世界對發(fā)電效率、排放和安全的高要求，帶來的是對外徑規(guī)格管接件和管路及其它相關(guān)設(shè)備的更多需求。” 也未將他們的MS-06-16技術(shù)報(bào)告序： “Since the original two-ferrule Swagelok tube fitting was introduced in 1947, fluid system designs have continued to shift from high volume/low pressure to low volume/high pressure to meet financial, environmental, and performance requirements. These new low volume/high pressure systems call for increased internal and external pressures, vacuum levels, flow velocities and shifts, vibration levels, and shock and impulses. As a result, mechanical demands on tube fittings, tubing runs, and other system related equipment have increased as well.” 準(zhǔn)確地翻譯成： “自1947年Swagelok公司引入雙箍式外徑規(guī)格管接件以來，流體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就一直不斷地在從大流量/低壓力向小流量/高壓力發(fā)展，以滿足財(cái)經(jīng)的、環(huán)境的和性能的要求。隨著小流量/高壓力系統(tǒng)內(nèi)外壓力的增大、真空度的提高、流速和換向頻率的加快以及振動/震動和脈沖的加劇，就更進(jìn)一步增加了對外徑規(guī)格管接件和管路及其它相關(guān)設(shè)備的需求。” 由于沒有權(quán)威的規(guī)范定義，因此，不僅中國人搞不清楚Pipe和Tube的差異，就連有些美國人也在網(wǎng)上咨詢Pipe和Tube的區(qū)別。所以，在國外部分英語技術(shù)文件里出現(xiàn)混用Pipe和Tube情況是不奇怪的。例如，在歐洲EN 3851—EN 3856(鈦合金宇航用管接頭)系列標(biāo)準(zhǔn)中，他們就在同一標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)用Pipe和Tube來表述以外徑標(biāo)稱規(guī)格的“管”。但是，進(jìn)入www.answers.com，通過關(guān)鍵詞“Pipe vs Tube”請求告知它們的區(qū)別，就可從獲得的多層面、多視角的解釋網(wǎng)頁中毫無疑問地確信，確實(shí)應(yīng)用Pipe和Tube來區(qū)分“內(nèi)徑規(guī)格管與外徑規(guī)格管”。顯然，不知道外徑規(guī)格管、管件及管路等基本理念，當(dāng)然也就無從理解國外常用英語說的“高可靠系統(tǒng)需求外徑規(guī)格管路”的含義，更不可能下意識地在高可靠系統(tǒng)中應(yīng)用外徑規(guī)格管路，自然會阻礙高可靠管路的發(fā)展。 2 外徑規(guī)格管件 2.1 ISO標(biāo)準(zhǔn)外徑規(guī)格管件 ISO 8434-1~6是一組主要用于動力傳輸?shù)耐鈴揭?guī)格管件標(biāo)準(zhǔn)，其中ISO 8434-1:1994(24°擠壓連接管接頭)和ISO 8434-4:1996(24°錐頭焊接管接頭)已合并為ISO/FDIS 8434-1:2007 24°錐座管接頭(圖1和圖2)，ISO 8434-2是37°擴(kuò)口式管接頭(圖3)，ISO 8434-3是端面O形密封管接頭(圖4)，ISO 8434-6是60°錐座管接頭(還未頒布)，ISO 8434-5已被ISO 19879取代，是這組管接頭的測試規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。新版GB/T 3733~3765卡套式管接頭相當(dāng)于等效采納ISO/FDIS 8434-1:2007，新版GB/T 5625~5653擴(kuò)口式管接頭相當(dāng)于等效采納ISO 8434-2。 ISO/FDIS 8434-1提供圖1和圖2兩種結(jié)構(gòu)的管接頭體系。圖1的結(jié)構(gòu)是靠驅(qū)動螺母2和擠箍3把平滑管頭擠在連接體1的錐座內(nèi)而完成對管的連接——管無需焊接，圖2的結(jié)構(gòu)是靠驅(qū)動螺母2把對焊在管上的錐頭3擠在連接體1的錐座內(nèi)而完成對管的連接——管需焊接。在一個(gè)系統(tǒng)中，或選用圖1的結(jié)構(gòu)連接管，或選用圖2的結(jié)構(gòu)連接管，不必兩種結(jié)構(gòu)同時(shí)混用。在圖2的錐頭上并不一定非要O形圈才能實(shí)現(xiàn)連接的密封。
圖3的ISO 8434-2結(jié)構(gòu)是靠驅(qū)動螺母和壓套把管的擴(kuò)大錐口擠在連接體的錐頭上而完成對管的連接——管無需焊接但需擴(kuò)口，圖4的ISO 8434-3結(jié)構(gòu)是靠螺母把焊在管上的法蘭壓在有O形密封圈的接頭體的端面而完成對管的連接——管需通過表面銀焊而套焊在圖示結(jié)構(gòu)的法蘭孔中或通過對焊而焊在非圖示結(jié)構(gòu)的法蘭端口上。
2.2 外徑規(guī)格管件的發(fā)展外徑規(guī)格管路主要是伴隨管擠壓連接的發(fā)展而發(fā)展起來的。圖5所示的ISO 8434-1單箍式管擠壓連接結(jié)構(gòu)和圖6所示的Swagelok雙箍式管擠壓連接結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代最基本的外徑規(guī)格管連接結(jié)構(gòu)，是為克服管的螺紋連接和焊接連接的不便而誕生的。ISO 8434組的其它結(jié)構(gòu)是為彌補(bǔ)現(xiàn)有管的擠壓連接性能缺陷而產(chǎn)生和發(fā)展起來的。
美國專利US 650330是我們目前檢索到的世界上最早的管擠壓連接結(jié)構(gòu)，是美國人Kurtz于1899年9月27日提出的。圖7a所示的US 1143816專利結(jié)構(gòu)是美國人Duffy 1911年提出的，其中的箍始終隨驅(qū)動陽螺母同步轉(zhuǎn)動，圖7b所示的US 1927464專利結(jié)構(gòu)是美國人McIntosh 1930年提出的，其中的箍可在最后擰緊階段自動斷離陽螺母地不再隨其轉(zhuǎn)動。美國專利US 2139413是ISO 8434-1單箍式管擠壓連接結(jié)構(gòu)的原型(圖8)，是德國人 Kreidel 于1932年11月26日提出的，美國專利US 2484815是Swagelok雙箍式管擠壓連接結(jié)構(gòu)的原型(圖9)，是美國人Crawford 于1947年8月15日提出的。從圖7a的US 1143816專利到圖7b的US 1927464專利，再到圖8的ISO 8434-1的原型US 2139413專利，管擠壓連接的擠箍在張緊過程中由始終轉(zhuǎn)動發(fā)展到相對不轉(zhuǎn)動，到圖9的Swagelok的原型US 2484815專利，前箍又進(jìn)一步發(fā)展到被后箍完全隔離而無任何轉(zhuǎn)動，徹底避免了擠壓下的箍轉(zhuǎn)動引起的擠壓結(jié)合面撕裂(根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn))或被連管的晶體化碎裂(根據(jù)US 1889778、US 1927464等專利記載)。 
圖6所示的US 6629708專利是美國人Williams 1999年12月22日提出的改進(jìn)Swagelok雙箍式管擠壓連接結(jié)構(gòu)的最終方案，其后箍中部的機(jī)械強(qiáng)度較其兩頭更弱，并且弱到在前箍完成密封而阻礙后箍再繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，正好使后箍尾部法蘭繞后箍中部鉸轉(zhuǎn)，進(jìn)而既使后箍頭部進(jìn)一步咬管而充分完成緊固連接，又使操作者明確感受到“鉸動”而停止操作。由于雙箍式的后箍機(jī)械強(qiáng)度既不能強(qiáng)也不能弱——太弱的后箍會提前抱管而不能繼續(xù)推動前箍徹底實(shí)現(xiàn)密封，太強(qiáng)的后箍會滯后抱管而導(dǎo)致過推動前箍偏離最佳密封，而不強(qiáng)不弱設(shè)計(jì)的后箍還必須保證正好只安裝擰緊操作到充分實(shí)現(xiàn)密封和緊固時(shí)為止，否則不能確保連接的可靠性，因此，可以說，從圖9的原始US 2484815專利結(jié)構(gòu)到圖6的現(xiàn)代US 6629708專利結(jié)構(gòu)，人們旨在解決擠壓連接的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝操作“止”感問題。然而，圖6的US 6629708專利結(jié)構(gòu)提供的僅僅是操作“拐變”感而不是操作到“擰不動”的“止”感，再者，這種操作“拐變”感還不能自動適應(yīng)管材強(qiáng)弱和管壁厚薄變化——管越軟越薄，實(shí)現(xiàn)密封和緊固的操作力就越小，管越硬越厚，實(shí)現(xiàn)密封和緊固的操作力就越大，而后箍的“鉸動”力是固定不變的，因此，它絕對不是雙箍式管擠壓連接結(jié)構(gòu)的最終方案。
根據(jù)US 2414995專利記載，ISO 8434-1單箍式管擠壓連接件在1940年代就以Ermeto相稱。現(xiàn)在的美國Eaton和Tompkins、法國Senior Ermeto等ISO 8434-1管件制造商都在使用Ermeto作其產(chǎn)品商符，而德國Parker Ermeto公司聲稱他們是正宗Ermeto。根據(jù)我們查證，Ermeto是1927年面市的瑞士“Movado (永不停)手表公司”的一款自動上條的豪華懷表，連續(xù)生產(chǎn)了20多年，無疑對Movado發(fā)展成當(dāng)時(shí)瑞士最大的鐘表公司功不可磨；當(dāng)時(shí)Movado投資股市，而德國Kreidel 1932年~1941年系列發(fā)明專利的受讓人，瑞士Patex Societe Anonyme公司，很有可能是當(dāng)時(shí)Movado控股的公司，因而使用Ermeto作其引進(jìn)的Kreidel發(fā)明管件的制造商號或商標(biāo)。現(xiàn)在沒有發(fā)明受讓人瑞士PSA存在的信息，也沒有信息說明，現(xiàn)在使用Ermeto作其商符的哪家當(dāng)年與發(fā)明人Kreidel或發(fā)明受讓人PSA或Ermeto商標(biāo)的主人Movado有關(guān)聯(lián)，因此，很有可能，所有現(xiàn)在使用Ermeto作其ISO 8434-1產(chǎn)品商符的制造商，都是在利用自由的Ermeto作其產(chǎn)品推銷符號。
圖10所示的US 5351998專利是德國Parker Ermeto公司1990年提出的多箍式結(jié)構(gòu)，自稱為Ermeto第2代，用于淘汰他們稱為Ermeto第1代的ISO 8434-1單箍式結(jié)構(gòu)。圖11所示的US 20060012169專利申請是Williams 2002年提出的單箍式結(jié)構(gòu)，用于淘汰其1999年改進(jìn)發(fā)明的現(xiàn)代Swagelok雙箍式結(jié)構(gòu)。圖10所示的多箍式結(jié)構(gòu)的金屬支承箍和緊固箍，通過非金屬彈性套嵌裝在驅(qū)動螺母內(nèi)供貨；安裝時(shí)，緊固箍，在螺母的驅(qū)動下，在支承箍的擠壓下，頭部縮小切入管表面完成緊固連接，非金屬彈性密封箍在壓力P的作用下自動完成密封連接。圖11所示的單箍式結(jié)構(gòu)的擠箍與驅(qū)動螺母聯(lián)成一體，安裝到有充分阻力時(shí)，擠箍繞其強(qiáng)度較弱的聯(lián)系根部鉸轉(zhuǎn)而完成連接的密封和緊固；實(shí)際上，這里的單箍式結(jié)構(gòu)是圖6所示的雙箍式的后箍結(jié)構(gòu)。 Parker Ermeto公司為什么要淘汰自己的單箍式結(jié)構(gòu)？按他們自己的解釋是，在設(shè)計(jì)上，“一”箍難以同時(shí)滿足密封和緊固“二”種不同的咬緊要求，無法實(shí)現(xiàn)最佳密封連接；在使用中，安裝操作者感覺不到擰緊操作“盡頭”，往往不是過擰就是欠擰，常常引發(fā)泄漏事故。實(shí)際上，根據(jù)我們的研究，管擠壓連接最好實(shí)現(xiàn)的是密封，最難實(shí)現(xiàn)的是緊固，因?yàn)槠交谋贿B管必須承受4倍額定工作壓力而不壓飛出來；對管擠壓連接實(shí)現(xiàn)密封而言，根本無需深擠和附加非金屬密封。可以說，Parker Ermeto多箍式結(jié)構(gòu)拋棄優(yōu)秀的擠壓密封不用而用附加的非金屬彈性體作密封，簡直就是枉為管擠壓連接結(jié)構(gòu)，是在用復(fù)雜而昂貴的結(jié)構(gòu)把管擠壓連接引向死胡同。 Williams為什么要拋棄自己改造出的雙箍式結(jié)構(gòu)？按他自己的解釋是，Swagelok雙箍式的箍頭不能切入被連管——前箍頭因薄而不可能懸空地切入被連管，后箍頭因擠管分力小而不可能切入被連管，不能滿足高壓管連接需要——高壓應(yīng)用時(shí)管會壓飛出來；Ermeto單箍式的箍是切入被連管的，可以保證高壓應(yīng)用的管不壓飛出來，但連接體的擠口錐角太小，箍同其接觸的面積大，遠(yuǎn)離金屬對金屬密封的線接觸條件，連接的密封性不好。實(shí)際上，Williams的單箍式結(jié)構(gòu)是在走回頭路，是在使擠箍由現(xiàn)在的不轉(zhuǎn)動倒退到90余年前的轉(zhuǎn)動。由于Williams的單箍式結(jié)構(gòu)的擠箍不可避免地要始終隨螺母的擰緊而轉(zhuǎn)動，因此，根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)，它的密封結(jié)合面會被最后的轉(zhuǎn)動致劃傷或撕裂，根據(jù)歷史記載，它的連接管會被最后的轉(zhuǎn)動致晶體化碎裂，可以說是根本行不通的。
圖12是我們提出的改進(jìn)單箍式管擠壓結(jié)構(gòu)的最終方案——AutoTights(奧妥泰)單箍式結(jié)構(gòu)，由連接體1、擠箍2和驅(qū)動螺母3組成。圖13是我們提出的改進(jìn)雙箍式管擠壓結(jié)構(gòu)的最終方案——AutoTights雙箍式結(jié)構(gòu)，由連接體1、密封箍2a、抱持箍2b和驅(qū)動螺母3組成，其中的抱持箍是一圈開口圓截面鋼絲。在這兩個(gè)結(jié)構(gòu)中，除了它們的擠箍外，其它結(jié)構(gòu)完全一樣，選擇安裝單箍式的擠箍2就是單箍式，選擇安裝雙箍式的擠箍(密封箍2a加抱持箍2b)就是雙箍式。也就是說，AutoTights擠壓連接管接件是單、雙箍共體式。同ISO 8434-1相比，除了擠箍和螺母驅(qū)動錐角外，它們的其它結(jié)構(gòu)完全一樣，因此，實(shí)際上，AutoTights擠壓連接管接件是單、雙箍共ISO 89434-1標(biāo)準(zhǔn)體式。
按照我們的研究，對流體傳輸管道而言，擠壓連接同其它連接一樣，必須完成密封和緊固兩種連接，緊固連接在于保證密封連接在流體壓力和外力作用下維持不變。由于箍對連接體的密封，是兩個(gè)精密機(jī)械加工面間的密封，比箍對管的密封容易實(shí)現(xiàn)得多，因此，管擠壓連接主要在于實(shí)現(xiàn)箍對管的密封連接和緊固連接。箍把被連管結(jié)合面擠得越平越光，連接的密封性就越好，特別是擠得越平、越光、越淺，擠就結(jié)合面的周向深度一致性就越好，當(dāng)然，連接的反復(fù)拆裝的密封性也就越好；箍把被連管結(jié)合面擠得越凹越深，連接的緊固性就越好；擠得越深，擠就結(jié)合面的周向深度一致性就越差，當(dāng)然，連接的反復(fù)拆裝的密封性也就越差；因此，管擠壓連接應(yīng)該有兩種分離的而又不同的擠就結(jié)合或擠就結(jié)合運(yùn)動，一是擠平結(jié)合或擠平結(jié)合運(yùn)動，二是擠凹結(jié)合或擠凹結(jié)合運(yùn)動。實(shí)踐證明，有轉(zhuǎn)動的擠就結(jié)合面是有劃傷或者是有撕裂的無光澤表面，無轉(zhuǎn)動的擠就結(jié)合面是無劃痕的光亮表面，即理想的擠平運(yùn)動應(yīng)當(dāng)是無任何轉(zhuǎn)動的箍的純軸向運(yùn)動。理想的無轉(zhuǎn)動的擠平結(jié)合可有效地容忍被連接面的橢圓度、不平度和安裝不同軸度的大變化。由于箍的擠平運(yùn)動和擠凹運(yùn)動是在同一螺母驅(qū)動下產(chǎn)生的，因此，他們應(yīng)當(dāng)是相隔又相繼的；如果空間上不相隔，他們就不可能產(chǎn)生不同的擠就結(jié)合；如果時(shí)間上不相繼或不一前一后，則提早完成擠凹結(jié)合的連接將提早終止擠平運(yùn)動而完不成密封連接，滯后完成擠凹結(jié)合的連接將滯后終止擠平運(yùn)動而導(dǎo)致已完成的密封連接失效。為了擠壓連接的抗震性或抗振性，擠平密封結(jié)合部位應(yīng)當(dāng)?shù)玫綌D凹緊固部位的充分隔離。
以上就是我們從100余年的數(shù)百項(xiàng)國外管擠壓連接專利中，提煉出的AutoTights(奧妥泰)管擠壓連接的結(jié)構(gòu)原理，也是我們在執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)卡套式管接頭修訂任務(wù)時(shí)的指導(dǎo)思想。圖12和圖13所示的AutoTights單、雙箍共ISO 89434-1標(biāo)準(zhǔn)體式管擠壓連接結(jié)構(gòu)，就是我們按這種嶄新的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)出來的完全理性化的結(jié)構(gòu)。 ●AutoTights結(jié)構(gòu)理性化在管密封 從圖12和圖13可以看出，AutoTights結(jié)構(gòu)的擠箍2和2a對管4的密封是靠懸空的箍頭刃D提供的。由于箍頭薄而懸空，因此，在擠箍的張緊過程中它只能把管表面擠平、擠光而提供可靠的密封性和反復(fù)拆裝性。由于此前100多年的擠壓連接結(jié)構(gòu)從未考慮用擠平提供密封，全是一味地強(qiáng)調(diào)往管里切呀、咬呀或擠呀，乃至密封效果一直不佳，因此，AutoTights密封懸臂提供的對管的密封性是空前的。 ●AutoTights結(jié)構(gòu)理性化在體密封 如圖12和圖13所示，AutoTights的擠箍2和2a同連接體1的接觸圓C是密封懸臂的支點(diǎn)，同連接體的接觸圓B，與箍內(nèi)刃E共面，是刃E之背，因此，在箍頭縮小擠管過程中，箍頭首先通過懸臂支點(diǎn)圓C和刃背圓B兩條線擠壓連接體——當(dāng)然，一擠體就實(shí)現(xiàn)體密封；在箍頭縮小到箍內(nèi)刃E擠管時(shí)，右面懸空的刃背勢必相對其正在縮小的左面刃背外翹——當(dāng)然，一擠管，箍內(nèi)刃就翹出“利化”的刃后角，刃背就翹出同連接體的更大接觸。也就是說，AutoTights的箍頭懸臂結(jié)構(gòu)和刃背結(jié)構(gòu)，對被連管有內(nèi)懸刃D提供擠平密封結(jié)合，還有不斷自動鋒利的內(nèi)實(shí)刃E提供擠凹緊固結(jié)合，對連接體有圓C和B提供線密封結(jié)合，還有不斷自動擴(kuò)大的接觸面積去承受不斷增大的擠壓力；只要箍能被擠動，總是越擠，箍頭刃D就把管擠得越平，箍內(nèi)刃E就把管擠得越凹，懸臂支點(diǎn)圓C的線密封作用就越顯著，承受擠壓力的面積就越大，連接的密封和緊固就越好，哪有箍頭楔角a偏小而影響體密封之說，哪有過擠壓使密封失效之說。然而，對于如圖8左圖所示結(jié)構(gòu)的箍頭，因同連接體的接觸面積小而變形應(yīng)力大，易于縮小擠管也易擠入連接體，既易實(shí)現(xiàn)密封也易擠破接觸面而破壞密封；對如右圖所示結(jié)構(gòu)的箍頭，因同連接體的接觸面積大而變形應(yīng)力小，不易縮小擠管也不易擠入連接體，既不易實(shí)現(xiàn)密封也不易擠破接觸面而破壞密封，此前100多年的擠壓連接結(jié)構(gòu)，就這樣橫豎總是密封不理想。
●AutoTights結(jié)構(gòu)理性化在無擠箍轉(zhuǎn)動 現(xiàn)有技術(shù)單箍式結(jié)構(gòu)有擠箍最后轉(zhuǎn)動問題，雙箍式結(jié)構(gòu)無擠箍最后轉(zhuǎn)動問題。如圖14和15所示，在擠箍2的受驅(qū)過程中，驅(qū)動螺母3試圖靠摩擦帶動擠箍轉(zhuǎn)動，連接體1試圖靠摩擦阻止擠箍轉(zhuǎn)動；擠箍的轉(zhuǎn)動阻力是fbPb=fbPbx/sina，擠箍的轉(zhuǎn)動動力是fnPn=fnPnx/cosb，其中fb和fn是相關(guān)摩擦系數(shù)，Pnx=Pbx。由于箍尾楔角b由45°改30°、箍尾受驅(qū)面改圓弧及螺母驅(qū)動面的減摩處理一起加大了“擠箍的轉(zhuǎn)動阻力/擠箍的轉(zhuǎn)動動力” 的比值：fbPb/fnPn=fbcosb/fnsina，因此，AutoTights單箍式結(jié)構(gòu)徹底消除了傳統(tǒng)式擠箍的最后轉(zhuǎn)動破壞。
●AutoTights結(jié)構(gòu)理性化在先密封后緊固和擁有“擰不動”的操作 “止”感 對單箍式而言，如圖14和15所示，受到驅(qū)動的擠箍2，相當(dāng)于箍頭和箍尾兩個(gè)斜楔聯(lián)合體；箍頭楔，在螺母3的驅(qū)動下擠壓連接體和管，楔角為a；箍尾楔，在箍尾的縮小抗力的驅(qū)動下擠壓連接體和驅(qū)動螺母，楔角為b；擠箍在螺母對箍尾的驅(qū)動力Pn和連接體對箍頭的反作用力Pb的共同作用下，相對而言，如果箍頭的縮小抗力小、箍尾的縮小抗力大，則擠箍頭縮小向前、箍尾不縮小向內(nèi)，反之，則箍尾縮小向內(nèi)、箍頭不縮小向前。由于箍頭比箍尾壁薄而不抗收縮，而且箍頭受到的徑向壓力Pby /箍尾受到的徑向壓力Pny： Pby/Pny=(Pnx/tga)/(Pnxtgb) =1/tgatgb =1/tg12°tg30° =8.1，因此，受到驅(qū)動的擠箍只能是箍頭先收縮，箍尾后收縮，只有當(dāng)箍頭完成密封和緊固后而不能再向前擠動時(shí)，箍尾才會開始收縮。如果收縮中的箍尾能以面而不是以線開始抱管，則管對箍尾的縮小抗力是突然的；如果箍尾楔角b越小，則對箍尾收到的突然抗力的放大能力就越大，驅(qū)動螺母收到的擰緊抗力也就越突然和越大，操作者收到的擰緊操作“止”感也就越明確。由于通過箍尾弧頂A的驅(qū)動力Pn位置高，制約受驅(qū)箍尾的徑向外翹力矩大，因此，可確保收縮中的箍尾以圓柱面開始抱管而不是以傳統(tǒng)的圓開始抱管，箍尾楔收到的操作動力既突然又強(qiáng)大；由于箍尾楔角b由現(xiàn)有的45°改30°，因此，既能增大箍尾的軸向驅(qū)動分量，有效降低安裝操作力矩， 又能更強(qiáng)地放大收到的又突然又強(qiáng)大的箍尾抱管抗力；所以，與現(xiàn)有技術(shù)相比，AutoTights單箍式結(jié)構(gòu)的安裝操作力矩小到普通規(guī)格安裝無需接長標(biāo)準(zhǔn)扳手，擰緊操作“止”感強(qiáng)到標(biāo)準(zhǔn)扳手?jǐn)Q不動。
對雙箍式結(jié)構(gòu)而言，在擠箍(密封箍2a加抱持箍2b)受到螺母3的驅(qū)動過程中，由于抱持箍受到的軸向分力大于徑向分力，因此，在密封箍未受到足夠阻礙前，抱持箍只能沿被連管表面滑動，只有當(dāng)推不動密封箍時(shí)，螺母才會把抱持箍往管內(nèi)擠；當(dāng)擠得抱持箍往管內(nèi)或多或少地一陷時(shí)，陷出的管表凹陷槽，無論多淺，都勢必同密封箍一道共同阻止抱持箍再向前滑動；此時(shí)，如果抱持箍要想往前再擠動一點(diǎn)，則密封箍尾的受驅(qū)錐面，作為抱持箍的引導(dǎo)面，將更多地引導(dǎo)抱持箍擠入管表面；如果抱持箍再往管內(nèi)一擠，則完全有可能瞬間脫離密封箍受驅(qū)面。這就是說，抱持箍往管內(nèi)一陷的時(shí)刻，就是密封箍開始“止步”的時(shí)刻。實(shí)際上，可想而知，擠在被連管“槽”中的抱持箍，無論如何擠都跨越不了槽的限制，給安裝操作者的感覺當(dāng)然是完全擰不動的“止”感。科學(xué)地說，如圖17所示，一旦抱持箍2b擠入被連管而在其下面的管表面上形成一個(gè)相當(dāng)于左右兩個(gè)小斜楔的凹陷槽，任何來自驅(qū)動螺母3對抱持箍的驅(qū)動增力ΔF都會引起被連管對抱持箍的一個(gè)反作用力ΔF；這個(gè)反作用力ΔF被兩級斜楔放大后而變成比驅(qū)動增力ΔF大十多倍的阻力：F=ΔF/tgbtgg，明確告訴操作者不可再擰，其中b是抱持箍反擠螺母的楔角，g是管槽反擠抱持箍的楔角。同樣，任何來自密封箍對抱持箍的后退脈沖也注定被數(shù)十倍地放大后反饋回去抵消脈沖的沖擊，維持原有密封狀態(tài)不變。這就是AutoTights的雙楔止驅(qū)與防震御振結(jié)構(gòu)。 ●AutoTights結(jié)構(gòu)理性化在自動適應(yīng)管材強(qiáng)弱變化 對AutoTights雙箍式而言，可想而知，被連管材料越軟，保持箍就越易或越早擠入被連管地終止其用力推密封箍頭去擠管，相反，被連管材料越硬，保持箍就越難或越晚擠入被連管地終止其用力推密封箍頭去擠管。也就是說，AutoTights雙箍式結(jié)構(gòu)可自動適應(yīng)被連管材軟硬變化，總是提供可靠連接。 ●AutoTights結(jié)構(gòu)理性化在無任何安裝過擰問題 現(xiàn)有技術(shù)的管擠壓連接的最大問題是安裝過擰引起的泄漏問題。對AutoTights單箍式而言，在箍尾抱管前，受驅(qū)箍尾的弧形高位驅(qū)動有抑制箍尾徑向外翹的作用，但在箍尾抱管后，受驅(qū)箍尾的圓弧又有利箍尾徑向外翹，使箍尾的過驅(qū)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為箍中部的徑向外翹，將箍尾的過驅(qū)運(yùn)動與箍頭相隔離；對AutoTights雙箍式而言，陷入管凹槽中的抱持箍，可有效地將過驅(qū)動力與密封箍相隔離；而前面已經(jīng)論述過的單、雙箍式箍頭都是越擠，連接的密封和緊固都是越好，根本又不怕任何過擠；所以，AutoTights單、雙箍式結(jié)構(gòu)根本不存在過擠壓問題。 ●AutoTights結(jié)構(gòu)理性化在安裝操作力矩低 100余年來，管擠壓連接不可逾越的使用限制就是，被連管大到某個(gè)規(guī)格后，因安裝操作力矩大而無法用任何手段實(shí)現(xiàn)其安裝。現(xiàn)有技術(shù)可手動實(shí)現(xiàn)安裝的最大規(guī)格為25mm——超過25mm規(guī)格的安裝必須借助氣動液壓機(jī)才能實(shí)現(xiàn)。如圖14所示，擠箍2只有刃背圓B誘發(fā)的有用小翹變形，無圖5現(xiàn)有技術(shù)所示的多余大翹變形，因此，就AutoTights單箍式結(jié)構(gòu)相對現(xiàn)有技術(shù)而言，除把箍尾楔角b由45°改30°而直接顯著節(jié)省安裝操作力矩外，還節(jié)省其它多余變形所要損耗的安裝操作力矩。如圖6所示，由于驅(qū)動螺母對后箍的徑向作用力小，后箍頭撐脹前箍尾的徑向力F就幾乎大到約等于擠管力P，因此，對現(xiàn)有Swagelok雙箍式結(jié)構(gòu)而言，除后箍的鉸轉(zhuǎn)變形要消耗操作力矩外，還有多余的前箍尾的外脹要消耗大量操作力矩。如圖16所示，抱持箍2b撐脹密封箍2a尾的徑向力f只有擠管力P的1/2，因此，就AutoTights雙箍式結(jié)構(gòu)相對現(xiàn)有技術(shù)而言，除把箍頭楔角a由20°改12°而直接顯著地節(jié)省安裝操作力矩外，還使密封箍尾無任何多余外脹變形地節(jié)省大量安裝操作力矩。所以，AutoTights單、雙箍式結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，都毫無疑問地有效降低了各自的安裝操作力矩，突破了100余年的管擠壓連接的不可逾越的使用規(guī)格限制。
綜上所述，Sweagelok 1947年引進(jìn)的圖9所示的雙箍式管擠壓結(jié)構(gòu)，使密封箍由轉(zhuǎn)動發(fā)展到完全不轉(zhuǎn)動，消除了擠壓下的箍轉(zhuǎn)動引起的擠壓結(jié)合面的撕裂或被連管的晶體化碎裂，成功地實(shí)現(xiàn)了管擠壓連接的第1次革命；我們的AutoTghts單、雙箍共ISO 8434-1標(biāo)準(zhǔn)體式管擠壓結(jié)構(gòu)，使管擠壓連接技術(shù)終于走完了由感性到理性的全部發(fā)展路程，成功地實(shí)現(xiàn)了管擠壓連接的第2次革命。 3 流體傳輸用外徑規(guī)格管 ISO 10763規(guī)定了流體傳輸用外徑規(guī)格無縫和焊接鋼管的尺寸和公稱工作壓力(見表1)。 ISO 10763管的公稱工作壓力是按ISO 3304(無縫鋼管)和ISO 3305(焊接鋼管)規(guī)定的R37鋼計(jì)算的，其化學(xué)成分、熱處理和機(jī)械性能如表2和表3所示。按照GB/T 700:2006，我國Q235鋼的機(jī)械性能完全符合ISO R37鋼的要求，Q235C和Q235D鋼，除最大Mn含量稍高外，其它化學(xué)成份和機(jī)械性能完全符合ISO R37鋼的要求。
| 表1 流體傳輸用外徑規(guī)格無縫和焊接鋼管的尺寸和公稱工作壓力 | 管外徑 mm | 50±0.2 | 公稱工作壓力 MPaa | — | — | 3.7 | 5.6 | 7.5 | 9.5 | 11.5 | 13.6 | 15.7 | 20.1 | 24.7 | 29.6 | 34.7 | 46.0 | a 1巴(bar)=0.1兆帕(MPa)=105帕(Pa)，1MPa=1N/mm2 |
| 42±0.2 | — | — | 4.4 | 6.7 | 9.0 | 11.4 | 13.9 | 16.4 | 19.0 | 24.5 | 30.3 | 36.5 | 43.2 | 58.2 | ||||
| 38±.15 | — | — | 4.9 | 7.4 | 10.0 | 12.7 | 15.5 | 18.3 | 21.3 | 27.5 | 34.2 | 41.4 | 49.2 | 67.2 | ||||
| 35±.15 | — | — | 5.3 | 8.1 | 10.9 | 13.9 | 16.9 | 20.1 | 23.4 | 30.3 | 37.8 | 46.0 | 55.0 | — | ||||
| 32±.15 | — | — | 5.8 | 8.9 | 12.0 | 15.3 | 18.7 | 22.2 | 25.9 | 33.7 | 42.3 | 51.8 | 62.4 | — | ||||
| 30±0.1 | — | — | 6.2 | 9.5 | 12.9 | 16.4 | 20.1 | 23.9 | 27.9 | 36.5 | 46.0 | — | — | — | ||||
| 28±0.1 | — | — | 6.7 | 10.2 | 13.9 | 17.7 | 21.7 | 25.9 | 30.3 | 39.8 | 50.4 | — | — | — | ||||
| 25±0.1 | — | — | 7.5 | 11.5 | 15.7 | 20.1 | 24.7 | 29.6 | 34.7 | 46.0 | — | — | — | — | ||||
| 22±0.1 | — | — | 8.6 | 13.2 | 18.1 | 23.2 | 28.7 | 34.5 | 40.7 | 54.6 | — | — | — | — | ||||
| 20±0.1 | — | — | 9.5 | 14.6 | 20.1 | 25.9 | 32.1 | 38.8 | 46.0 | 62.4 | — | — | — | — | ||||
| 18±0.1 | — | — | 10.6 | 16.4 | 22.6 | 29.3 | 36.5 | 44.3 | 52.9 | — | — | — | — | — | ||||
| 16±0.1 | 5.8 | 9.5 | 12.0 | 18.7 | 25.9 | 33.7 | 42.3 | 51.8 | 62.4 | — | — | — | — | — | ||||
| 15±0.1 | 6.2 | 10.2 | 12.9 | 20.1 | 27.9 | 36.5 | 46.0 | — | — | — | — | — | — | — | ||||
| 12±0.1 | 7.8 | 12.9 | 16.4 | 25.9 | 36.5 | 48.5 | 62.4 | — | — | — | — | — | — | — | ||||
| 10±0.1 | 9.5 | 15.7 | 20.1 | 32.1 | 46.0 | 62.4 | — | — | — | — | — | — | — | — | ||||
| 8±0.1 | 12.0 | 20.1 | 25.9 | 42.3 | 62.4 | 88.3 | — | — | — | — | — | — | — | — | ||||
| 6±0.1 | 16.4 | 27.9 | 36.5 | 62.4 | 98.9 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | ||||
| 5±0.1 | 20.1 | 34.7 | 46.0 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | ||||
| 4±0.1 | 25.9 | 46.0 | 62.4 | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | ||||
| 管 壁 厚 | mm | 0.5 | 0.8 | 1 | 1.5 | 2 | 2.5 | 3 | 3.5 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 10 | |||
表2 流體傳輸用外徑規(guī)格鋼管的材料的爐前分析化學(xué)成份
| 牌號 | C，% Max. | Si，% Max. | Mn，% Max. | P，% Max. | S，% Max. |
| R37 | 0.17(沸騰鋼0.19) | 0.35 | 0.8 | 0.05 | 0.05 |
表3 流體傳輸用外徑規(guī)格鋼管的材料的機(jī)械性能
| 牌號 | 熱處理 | 屈服強(qiáng)度ReH，min. | 抗拉強(qiáng)度Rm，min. | 伸長率A(5.65 )，min |
| MPa | MPa | % | ||
| R37 | 正火 | 215 | 360 | 24 |
ISO 10763管的公稱工作壓力是指動態(tài)應(yīng)用時(shí)的工作壓力，取管靜態(tài)破裂壓力的1/4，并按如下公式計(jì)算： Pw=[Rm,min(lnD/d)]/4，其中Pw是公稱工作壓力，單位為MPa；Rm,min是最低抗拉強(qiáng)度，取360MPa；ln是自然對數(shù)，D是管外徑，單位為mm，d是管內(nèi)徑，單位為mm。 4 外徑規(guī)格管件的材料 ISO 8434組外徑規(guī)格管接件的公稱工作壓力，同ISO 10763流體傳輸用外徑規(guī)格管的公稱工作壓力一樣，都是明確按ISO R37低碳鋼給定的，并須按ISO 19879規(guī)定進(jìn)行測試。ISO 6149和ISO 9974規(guī)定的流體傳輸螺口的公稱工作壓力也都是按低碳鋼給定的，并也須按ISO 19879規(guī)定進(jìn)行測試。 ISO 19879明確指出，如果在震動實(shí)驗(yàn)裝置中使用最小屈服強(qiáng)度大于235MPa的管材，則決定振動應(yīng)力強(qiáng)弱時(shí)應(yīng)考慮管材的耐振能力。也就是說，最小屈服強(qiáng)度比Q235鋼更高的材料的耐振力是不如Q235。不銹鋼的抗拉強(qiáng)度一般都比ISO R37低碳鋼的抗拉強(qiáng)度高，然而，ISO 8434-1:1994、ISO 8434-2:1994和ISO 8434-4:1995都明確規(guī)定，對于相同規(guī)格的管接件，使用不銹鋼時(shí)的工作壓力應(yīng)比使用ISO R37鋼時(shí)的壓力，在50°C~100°C時(shí)下調(diào)11%，在100°C~200°C時(shí)下調(diào)20%。為什么制造壓力容器的材料不是強(qiáng)度越高越好？按照ASME B16.34解釋，限制壓力容器使用超過某個(gè)上限強(qiáng)度的材料，是旨在強(qiáng)行限制壓力容器的應(yīng)力變形或變形應(yīng)力。可想而知，如果容器的屈服變形應(yīng)力越小，則使容器壁屈服的壓力就越低；因此，對低碳鋼壓力容器，容器壁一屈服流動就可發(fā)現(xiàn)，而屈服后增加的材料強(qiáng)度又確保不發(fā)生破裂事故；對玻璃那樣的材料做的壓力容器，極限壓力不到不破裂，極限高壓一到就破裂爆炸成災(zāi)難。如果不使用高強(qiáng)度材料，則壓力越高的容器的壁越厚或體越大，這就是平常所看到的，同規(guī)格壓力設(shè)備的額定壓力變化反映出來的是尺寸變化，而不象普通機(jī)械領(lǐng)域的螺栓一樣，用同一規(guī)格的不同材料強(qiáng)度的螺栓就可滿足不同強(qiáng)度要求的需要。如果可用高強(qiáng)度材料，則ISO843-1管接件就無需三個(gè)系列，所有同規(guī)格不同壓力等級的設(shè)備就可一張圖紙，那該多簡單啦。一屁股坐在用四只適當(dāng)強(qiáng)彈簧做成的席夢絲床墊上，肯定全墊皆動，一屁股坐在用很多軟彈簧做成的席夢絲床墊上，肯定不會全墊皆動。可想而知，用高強(qiáng)度材料制造壓力容器，就象用強(qiáng)彈簧做席夢絲床墊一樣，不耐沖擊力；用很厚的軟材料制造壓力容器，就象用很多軟彈簧做席夢絲床墊一樣，沖擊力在哪兒現(xiàn)就在哪兒滅。所以說，在要求耐振動的高可靠管路系統(tǒng)中，對于觸及介質(zhì)的管和管路配件，在使用環(huán)境和介質(zhì)許可的條件下，都應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，使用Q235或相當(dāng)Q235低碳鋼材制造，否則應(yīng)降低標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的公稱工作壓力。 5 外徑規(guī)格管件的檢測本來內(nèi)徑規(guī)格管路的閥門檢測要求夠嚴(yán)了，但外徑規(guī)格管件的檢測比閥門更嚴(yán)。比如，對常規(guī)的對外泄漏檢測要求，ASME B16.34規(guī)定閥體通過1.5倍額定工作壓力測試和閥桿密封通過額定工作壓力測試即可，而ISO 8434-1則規(guī)定外徑規(guī)格管件必須通過2倍額定工作壓力的保證壓力測試、4倍額定工作壓力的破裂壓力測試、至少100萬次峰值為1.33倍額定工作壓力的脈沖壓力測試、至少1000萬次振動測試等。由此可見，外徑規(guī)格管路絕非一般內(nèi)徑規(guī)格管路，不只是簡單的規(guī)格標(biāo)稱不同，而是有著完全不同的技術(shù)要求。所以，ISO 8434-1特別規(guī)定，在新的動力傳輸系統(tǒng)中不許可使用以通徑標(biāo)稱規(guī)格的管螺紋。 Subject: Tubes, Tube fittings and tubing runs for fluid transfer Synopsis: The conventional pipe line for general use is measured in nominal inside diameter (DN) or nominal pipe size (NPS), while the modern tubing run for high safety system is measured in actual outside diameter, which has not been well known in China because there is only one Chinese character for words pipe and tube. According to related ISO standards, the connections in tubing runs shall pass a proof pressure test of 2 times ratings and a burst pressure test of 4 times ratings for use in fluid power systems and inflammable medium conveying systems, whereas the connections in pipe lines only need to pass a proof pressure test of 1.5 times ratings for use in general medium conveying systems. The tubing run is developed with ferrule-swaged connections. The Autotights tube fitting designed according to our newly proposed principle is the first either single or double ferrule system in accordance with ISO 8434-1, and has eliminated all the drawbacks of present ferrule-swaged connections, and can promote the development of tubing runs all over the world. Key words: Pipe(內(nèi)徑規(guī)格管) Tube(外徑規(guī)格管) Pipe fitting(內(nèi)徑規(guī)格管件) Tube fitting(外徑規(guī)格管件) Pipe line(內(nèi)徑規(guī)格管路) Tubing run(外徑規(guī)格管路) 作者簡介：徐長祥，原航空工業(yè)高級工程師，因做外商的管路產(chǎn)品中國采購技術(shù)質(zhì)量代表而改行研究管路產(chǎn)品，現(xiàn)任浙江華夏閥門有限公司總工程師，已專題研究“外徑規(guī)格管路”產(chǎn)品多年，本文是對即將出版專著的濃縮。電話：0577-86918799 電子信箱：8827@CNvalves.CN 通信地址：浙江省溫州市龍灣區(qū)永中街道華夏閥門325024 唐中一，重慶大學(xué)教授，在國內(nèi)外帥先開展“復(fù)合傳動與控制”研究工作，著有《復(fù)合傳動與控制》等。聯(lián)系電話：023-65105215 電子信箱：tzy3256@163.com 通信地址：重慶市重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院400044
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