自瑞典工程師GunnarLarsson在二十世紀50年代末發明卡壓式連接技術以來，卡壓連接已逐漸在全球水、煤氣、供暖、特種油質等管道中廣泛運用[1~3]。
在薄壁不銹鋼水管道連接密封選擇使用上，因其連接便捷可靠，且連接時為機械壓接，不會產生熱量，特別適用于狹窄工作面及煤氣管道連接，已成為DN50以內薄壁不銹鋼管道的主要連接方式。這種方式相對焊接方式的施工時間大幅度縮減；不需要很熟練的技術工人就可以完成操作；杜絕施工現場出現明火，減少工程隱患。隨著國外技術的引進與國內技術的發展，卡壓連接技術已經在我國廣泛應用，其中包括廣州黃沙鐵路南站工程、寶雞鳳翔中醫院、福州長樂機場飛行出勤樓、廣東省五白天鵝賓館、深圳市能恩偉業能源投資有限公司、中山市家麗雅電氣有限公司成都分公司、徐州新奧燃氣和青島膠山珠山天然氣加氣站等不同類型場所給排水和燃氣工程項目。
根據大量項目回訪調查，發現連接處密封圈老化和密封間隙是導致出現漏水、滲水、漏氣的主要原因。密封圈性能和安裝的好壞直接關系到薄壁不銹鋼管卡壓連接的成功與否和使用壽命。目前在薄壁不銹鋼卡壓連接方面，關于密封圈密封性與壓縮率的研究和探討相對少，密封圈壓縮量的取值并沒有一個完整的數據和標準體系來支撐[4]，生產企業大多按照經驗進行卡壓連接，使得安裝很不規范。
本文重點分析薄壁不銹鋼管道卡壓連接中O型密封圈的壓縮率，采用逐步檢測和失效試驗的方法對最佳壓縮率進行試驗，探討密封圈在不同壓縮率下的長期密封性能與失效點。
1）O型密封圈介紹
1.1密封原理
薄壁不銹鋼卡壓式管件端部的溝槽內裝有特制的O型橡膠密封圈，安裝時將不銹鋼飲用水管插入管件承口至定位臺階位置，用專用的卡壓工具對溝槽和溝槽一側或兩側的卡壓部位同時進行剛性機械連接，O型密封圈受擠壓后徑向收縮抱緊從而起密封作用。另外，卡壓部位管件和管材的同時收縮變形起到抗拉拔作用，剖面形成六角形狀，防止使用中旋轉漏水，起到抗旋轉作用，從而有效地實現不銹鋼管道密封連接。圖1反映了O型密封圈在不銹鋼卡壓管道中卡壓前后的效果。
圖1O型密封圈在管道內卡壓前后效果示意
1.2密封材料
對密封材料的一般要求是[5]：在動或靜密封下工作時可以有良好的密封性,能夠適應溫度和壓力的變化；不會輕易泄露所輸送介質，能夠長期工作；在工作介質中不易發生化學變化,有良好的化學穩定性；制造加工方便，價格低廉，取材容易。對于不銹鋼管道給排水類，EPDM三元乙丙橡膠是一個極佳的材料，它的主要性能有低密度高填充型，其密度為0.87，可大量充油和填充劑，因此可以降低成本價格。EPDM缺乏極性，不飽和度低，因而在各種化學品有較好的抗耐性，但在脂屬和芳屬溶劑中穩定性差。它的分子內聚能低，可在較寬范圍內保持柔順性，分子結構中缺少活性基團，自粘性和互粘性差。其耐水蒸氣性能尤佳，使用溫度范圍為-50~150℃。
常用的O型密封圈硬度為40～90IRHD。硬度是評定密封性能最好的指標，它決定了O型密封圈的壓縮量和溝槽最大允許擠出間隙。硬度低，安裝方便，但容易出現剝落、安裝損傷、擠出甚至壓力爆炸；硬度過高，安裝不方便。
1.3壓縮率與壓縮永久變形
在卡壓式連接中，密封圈受到壓縮，在壓縮方向上其截面直徑會變小。壓縮率為密封圈受壓后直徑的變化量與其初始截面直徑的比值，可表示為：
式中W--壓縮率，%；
d0--密封圈初始截面直徑，mm；
d2--壓縮狀態下，密封圈沿壓縮方向的截面直徑，mm。
密封圈在壓縮狀態時，必然會發生物理變化和化學變化。當壓縮力消失后，這些變化阻止橡膠恢復到期原來的狀態，于是就產生了壓縮永久變形。壓縮永久變形性能涉及到橡膠的彈性與恢復，是衡量橡膠制品密封性能的好壞及使用壽命長短的重要指標之一。壓縮永久變形率c（%）按式（2）計算[6]：
式中d1——復后，密封圈沿壓縮方向的截面直徑，mm。
密封圈的老化因素有很多，主要是熱、氧化、機械應力和油介質等。一般情況下在使用期間管道內水壓波動、水流速度、溫度值交替變化也會對密封產生影響，會出現一些密封性下降，老化速率加快的問題。在不銹鋼水管的靜態密封中，熱和水的影響是引起老化的主要因素，其表現為密封圈的永久變形增大，當達到臨界值時，密封圈失去密封性，出現漏水，也就意味著密封圈失效。
2）試驗材料與方法
2.1試驗材料
試驗用O型密封圈為德國進口三元乙丙橡膠密封圈，硬度75邵氏度，拉伸強度13.48MPa，扯斷伸長率為388%，壓縮率分為10%、15%、20%、25%和30%。
2.2試驗方法
2.2.1密封性檢測方法
最直觀的檢驗密封性的好壞是觀察管道在規定的壓力下是否會出現漏水。本次密封性測試采用DN50不銹鋼管道，在指定的壓縮率下進行卡壓連接，然后將連接件內灌滿水，利用手動水壓泵進行加壓，如圖2所示。壓力值從0開始，緩慢升高，直至密封處漏水為止，記錄漏水時的壓力值。試驗選用多組卡壓連接件，經多次測試后，取其中一個最小值作為連接件的承受壓力值。
圖2手動水壓泵示意
2.2.2壓縮永久變形率與使用壽命預測方法
根據橡膠材料壓縮永久變形測定標準[6]，利用密封圈壓縮板擠壓O型密封圈，用螺絲鎖緊至限制板高，限制板厚度由壓縮量決定，然后進行壓縮永久變形試驗。試驗方法為：在壓縮器限制板上涂一層對試驗無影響的潤滑劑，隨機抽取合格O型密封圈放入壓縮板內，用螺絲通過中心的螺絲孔鎖緊、固定進行壓縮，然后放置測試環境中，達到規定時間后，去除壓縮，放到室溫條件下30mim左右進行厚度測量，然后由（2）式計算壓縮永久變形率c。
在高溫下，橡膠的老化會明顯加速。在一定的溫度范圍內，橡膠圈在高溫下的老化與使用溫度下的老化機理是相同的。因此，可以通過高溫下一系列的加速老化試驗，用回歸分析的方法，找出各個溫度下的變化常數，由各個溫度下的常數，根據阿侖尼烏斯公式就可以推算出使用溫度下的變化常數，從而預測密封圈在使用溫度下的壽命。為加速橡膠圈老化，選用130~170℃的靜態過熱蒸餾水為測試條件。壓縮率選用為25%。
3）試驗結果與分析
3.1密封性
不同壓縮率下，卡壓連接件所能承受的壓力值如圖3所示。可以看出，卡壓連接件所能承受的壓力隨壓縮率增大而變大。在10%～25%的壓縮率范圍內，壓力隨壓縮率增大而明顯變大，壓縮率超過25%以后，壓力的增幅顯著變緩。在25%壓縮率為時，壓力達到4.01MPa不漏水，是國家標準（1.6MPa）[7]的2.5倍。雖然試驗中壓縮率大于15%時的壓力數據都大于國標，但是在實際過程中，由于產品制造公差、工具反復使用造成的磨損、安裝時卡壓不到位等情況，會使實際壓縮率偏小。同時，考慮到過高的變形量不便于安裝，也會縮減管道有效直徑。因此，在綜合考慮承壓值和實際安裝的情況下，最佳壓縮率選定為25%。
圖3不同壓縮率下DN50卡壓連接件承受的壓力值
3.2壓縮永久變形率與使用壽命預測
由高溫加速老化試驗所測得的永久變形率和時間的關系如圖4所示。
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圖4不同溫度下密封圈壓縮永久變形與時間的關系
在高溫下，橡膠的老化會明顯加速。在一定的溫度范圍內，高溫加速老化與橡膠圈在使用溫度下的老化機理是相同的。因此，可以通過高溫下一系列的老化試驗，用回歸分析的方法，找出各個溫度下的變化常數，再由各個溫度下的常數就可以推算出使用溫度下的橡膠圈的性能[8]。
在靜密封下，密封圈的使用壽命可以用以下經驗公式[8]來預測：
表1不同溫度下計算的k值
選定溫度T分別為常溫（25℃）、70℃、80℃和90℃，將常數B、k、a值代入公式（5），得到密封圈在水中的壓縮永久變形率和時間的關系如圖5所示。
圖5密封圈在水中壓縮永久變形率與時間的關系
如果定義密封圈的失效臨界值為y0=0.3，即永久變形率c=1-y0=70%時密封圈失效，那么從（5）式可以計算，密封圈在常溫、70℃、80℃和90℃的熱水中的使用壽命分別為306年、128年、80年和52年。從圖5可以看到，在不同的溫度下，密封圈在使用第一年時永久變形率變化較大，從5%左右迅速增大20%～30%，隨后增速變緩，直至達到臨界值而失效。以密封圈在80℃熱水中的計算結果為例，t=1d時，c=5.1%；t=365d（1年）時，c=30.4%；當t=29200d（80年）時，c=70%，密封圈失效。也就是說，O型圈在80℃的熱水中，只用了一年時間就達到了30.4%的永久變形率，而隨后c從30.4%增加70%需要79年的時間。因此，可以認為初始的0～30%以內的永久變形率對于在熱水中使用的O型圈的壽命沒有太大的影響，而溫度是影響O型圈壽命的最主要因素。實際O型圈在安裝中，隨著給定壓縮率的不同，會有不同的永久變形率，我們只需要選擇一個合適的壓縮率，使永久變形率不超過30%，便不會對O型圈的使用壽命造成很大的影響。
4）結論
（1）隨著安裝中壓縮率的增大，薄壁不銹鋼水管卡壓連接件承受的壓力也隨之增大，壓縮率超過25%以后承受壓力增幅不明顯。在25%壓縮率下，連接件能穩定承受的壓力不小于4.0MPa。
（2）壓縮率為25%時，在常溫、70℃、80℃和90℃的熱水中，預測的O型圈的使用壽命分別為306年、128年、80年和52年。溫度對O型圈的壽命影響最大。
綜上，考慮到產品制造公差和安裝工具的磨損等實際情況，薄壁不銹鋼管道卡壓連接時的O型圈的壓縮量應在25%左右最佳，這樣既有良好的密封性，使得不容易失效，也有長久的使用壽命。
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