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絕緣接頭的演變曆程及其發展趨勢

絕緣接頭是燃气输配和石油管线系统中不可缺少的重要构件。它的作用是将管线与设备相互绝缘分隔,使设备免受电化学腐蚀,从而延长其工作寿命。 

目前,我国燃气输配和石油输送管线上使用的絕緣接頭是法蘭式絕緣接頭,又称绝缘法蘭。其本身的结构特点决定了它在使用方面、性能方面以及维护方面诸多的限制。绝缘法蘭在外观上与普通的法蘭连接没有本质区别。只是两法蘭间的密封垫采用绝缘材质制造;各螺栓、螺母与法蘭之间采用带台阶的绝缘套筒将其互相绝缘。这种结构所能承受的轴向拉伸载荷受塑料套台阶强度的限制,不可能很高;所能承受的轴向压缩力被(密封)绝缘垫片的弹性极限限制,过大的轴向压缩力会使其失去弹性而破坏密封性能;若在弯曲载荷的作用下(密封)绝缘垫片的一侧有降低密封性的倾向,而另一侧则有因受力过大而失去弹性的可能。它的密封绝缘件直接暴露在外,与潮湿气体或土壤直接接触,其必须的绝缘性能降低。由于在实际使用中受地形、地貌和其它自然因素变化的影响,绝缘法蘭的受力情况甚为复杂,从而导致两法蘭面倾斜、错位,密封性受损。据一线操作、维护人员介绍,历年来燃气输配管线和石油输送管道中,经常发生泄漏需急修的部位均发生在绝缘法蘭的对接密封面上,因此需要经常将法蘭对接密封面重新强力撬平、校正,对它定期或不定期维护、修理。 

早些时候国外也使用绝缘法蘭,但据有关资料介绍从六十年代中期起就研制出了各种新型的絕緣接頭。从有关资料中可知大致有以下几个过程: 

1.螺纹连接替代螺栓法蘭连接 

螺纹连接件是利用一个单独的带螺纹的接头形式而形成可分离的机械接头。而螺栓法蘭连接件要利用好几个螺栓,一个卡箍或者着两者的组合形式才能保证连接。螺纹连接件相对于螺栓法蘭连接件来说内部密封件不直接与周围环境接触,密封性能好;装配过程中因为只有一个单一的螺纹元件,因此受拉时较多个螺纹元件载荷分布均匀,法蘭错位或倾斜的情况大大减少。 

2.整体式絕緣接頭 

尽管螺纹连接件较螺栓法蘭连接件有了很多改进,但是在实际使用中,密封性能的好坏往往与螺纹拧紧与否有直接关系。太松,太紧对密封效果都会造成影响,且连接件本身需要良好的加工工艺和特殊的装配方法。整体式絕緣接頭就是在这样的基础上产生的。1965年RMA公司(德国)的“IK”、“ET”型式采取了焊接密封代替螺纹密封结构。整体结构中用“O”密封圈进行端面密封,避免了螺纹密封可能产生的因拧紧力的大小对整体密封造成的影响。 

我公司的整体式絕緣接頭是针对国内绝缘法蘭和繁琐的螺纹连接件的诸多缺点,并在参考了国外同类产品的结构基础上进行设计的。综合比较了各种绝缘电阻、击穿电压、工作温度等性能指标后,确定了DN40-300和DN500两种内部结构完全相同,外部因承压能力不同,焊接形式稍有差异的整体式絕緣接頭。 

二.整体式絕緣接頭改进创新 

整体式絕緣接頭方案设计的主导思想是:利用国外的先进技术改变我国燃气输配管线经常发生泄漏的现状。并以此作为设计的基本出发点,在国外常用方案的基础上进行两项改进、创新。 

利用“冗余”設計技術將原密封結構改爲雙重密封。 

它的特點是:一旦某種因素使其中一道密封結構受損,性能破壞,還有另一道結構能正常工作,確保必要的密封性能。 

橡膠密封墊設在第一道密封之後,避免與燃氣中會激發橡膠老化的組分直接接觸,可延緩其老化速度,延長使用年限。 

利用絕緣套8,將套筒7與下導管2之間的空隙密實充填。在彎曲載荷的作用下,絕緣墊片5和密封墊4基本不受其影響,而使其工作性能穩定。 

如圖所示:絕緣套8密實充滿套筒7與下導管2之間的空隙,在下導管受外力矩M作用時,下導管A部位、B部位對絕緣套與之相接觸部位施加了一定的力。絕緣套對下導管A、B部位總的反力所形成的力矩與M平衡。此時,絕緣墊片基本不受M所引起的附加力,則可免受外加彎曲載荷的損傷。而當套筒7與下導管之間存有空隙時,外加力矩M使絕緣墊片的局部位置受到附加的壓縮力,則可能影響其工作性能。

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三.整体式絕緣接頭结构设计 
从结构上来说,我公司的整体式絕緣接頭内部型式与意大利NUOVA GIUNGAS公司的产品型式比较接近。在相同压力等级下,相同公称直径的产品的主要优点就是结构简单紧凑、尺寸小、重量轻。 

该整体式絕緣接頭由上、下导管组件、套筒、绝缘垫片、密封垫及绝缘套组成。在上图中,上、下导管1和2两端面将绝缘垫片5、密封垫6压紧。两导管端面对绝缘密封件的夹紧力,来源于套筒7被强压收口时产生的塑性变形力。绝缘套8在结构中的作用不仅是将套筒7与下导管2隔离、绝缘,而且将套筒7收口时的支承力传递给下导管,从而使得刚性见受力,塑性件受力情况得到改善。套筒7收口过程中迫使上导管向下移动,从而使得上、下导管两端面将绝缘垫片及密封垫压紧,保证上、下导管对接面间的绝缘、密封性能。收口后,套筒与上导管焊成一体,使其有较高的承载能力。 

在上图所示的结构中,绝缘垫片5的主要作用是保持上、下导管两端面的距离;(橡胶)密封垫保证二者之间必要的密封性。绝缘垫片5、绝缘套8是采用在温度为-60~+120℃范围内能长期工作的加入适量玻璃纤维的聚碳酸酯增强塑料,其抗压强度高达16480N/cm2(1681kg?f/ cm2)。该结构既能承受较大的拉伸或压缩载荷,又能承受一定数值的弯曲载荷,承载能力较强.它的绝缘件被封裹于密闭的空间,不受潮湿气体的影响,所以绝缘、密封性能稳定可靠。基于以上特点整体式絕緣接頭长期工作不需维护、修理,它既可用于地面上也可用于埋在地下的输配管线中。 

DN500整体式絕緣接頭是在整体式絕緣接頭的基础上设计的。它采用套管与上导管全焊透的连接形式,适用于工作压力高达PN64的情况下。在设计时考虑了焊接时可能产生如下情况: 

(1)焊接時産生的熱量對絕緣墊片、絕緣套(工程塑料)有破壞,需避開熱影響區; 
(2)16Mn鍛件在邊焊接邊冷卻(水冷)時可能發生金相組織的變化,産生馬氏體組織,造成材料硬、脆。 

爲避免上述情況的産生,在結構設計上采取了以下措施: 

1)盡量拉開焊接區和絕緣墊片、絕緣套裝配位置的尺寸,避開熱影響區; 
2)適量增大鍛件的截面積,使得散熱區域盡量大,加快散熱速度。 

在DN500的設計過程中,根據DN40~200的實際生産和使用情況,對橡膠密封件的壓縮量適當進行了修改,使得原來21%左右的壓縮量提高到27%,這樣將進一步提高密封效果。 

四.整体式絕緣接頭的相关指标 

经过综合比较,我公司的整体式絕緣接頭具有如下优点: 

☆導管金屬材料爲鍛件,其各項力學指標較國外板材好; 
☆絕緣墊片采用特殊配方的工程塑料,強度更高; 
☆結構上,零、組件材料易于購買且有較好的加工性能,整體裝配時亦比較容易; 
☆産品的各項性能指標均達到或優于國外同類産品的指標; 
☆增加了該産品的拉伸、抗壓性能指標,爲國外同類産品不具有的。 

经过测试我公司的整体式絕緣接頭的性能指标如下: 

◇绝缘电阻≥5 MΩ 
◇擊穿電壓≥3KV-50HZ 
◇工作溫度:-10-+70℃ 

它的电性能指标与国外产品完全一致,而我公司对于产品的内部控制的某些指标大大高于以上数值,这些都是绝缘法蘭远远不能相比的。 

我们对絕緣接頭的抗弯曲能力做了专门的测试,在悬臂状态下施加22.KN左右的力,内部塑料件完好无损,更无泄漏。 


五.整体式絕緣接頭的发展趋势 

从DAEBON KIYON (韩国)公司的“DKV”型式以及RMA公司(德国)的“IK”、“ET” 型式、NUOVA GIUNGAS公司(意大利)1975年到1995年最新型式的整体式絕緣接頭的发展过程来看,市场对絕緣接頭正不断提出各项要求。从大体上来说,絕緣接頭将朝着以下几个方面发展: 

(1)随着新科技、新技术的不断出现,新兴材料将会不断问世,采用性能指标优异,成本合理的新材料制作絕緣接頭的某些零部件,是提高絕緣接頭整体使用寿命的一个有效途径。 

(2)随着石油、燃气行业整体水平的不断提高,对其配套设施的各项性能提出了更高的要求。为了不断适应各种地貌、地况和复杂的地理环境,需要对絕緣接頭的整体力学性能进行测定,如抗弯曲能力、整体拉伸强度等等,通过提高絕緣接頭的整体质量水平,以适应实际工作中恶劣的自然环境和工程技术要求。 

結束語 

目前,上海、杭州等城市楼栋、小区庭院管道的引入口已经基本使用整体式絕緣接頭,替代了传统的绝缘法蘭。从用户的信息反馈来看,整体式絕緣接頭安装、使用都很便捷,性能稳定,是防电化学腐蚀的一种较好的管件。整体式絕緣接頭替代绝缘法蘭是一种发展趋势,它将给管道维护、使用带来诸多的便利。 

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