本發(fā)明屬于機械領(lǐng)域，涉及一種卡箍和卡箍管連接件，適用于石油加工、化工、制藥、電力、冶金、鍋爐等行業(yè)的管路連接。
背景技術(shù)：
：工業(yè)上，管道連接一般都采用法蘭，閥門也是法蘭式閥門。法蘭可謂是傻大黑粗，浪費材料，安裝麻煩，但一直沒有好的替代品。DN50以下小口徑管道，可以用活接替代法蘭，比法蘭安裝方便，重量只是法蘭的20～30％，成本降低30～50％，活接式閥門比法蘭式閥門的材料和成本也降低接近同樣的比例，雖然現(xiàn)在只在民用管連接行業(yè)使用，在化工行業(yè)普及也是早晚的事，本發(fā)明者提出的三角環(huán)密封墊已經(jīng)解決了活接在化工行業(yè)使用的密封問題，見CN203756982U，CN204717181U。對于大口徑管道，雖然卡箍可以替代法蘭，但卡箍為橡膠密封，只適用于水管道的連接，目前僅用于消防水管道、食品和制藥行業(yè)，其他行業(yè)很少使用。石油工業(yè)用的高壓卡箍，采用硬密封環(huán)墊，加工精度要求高，造價高，也不能普及?，F(xiàn)有卡箍主要用于水管的連接，由卡箍、高頸法蘭、螺栓和密封墊組成，見圖1?？ü恳话銥?瓣，最多3瓣(可參見國標)，安裝后卡箍的內(nèi)錐面和高頸法蘭的外錐面完全貼合，圖中b為切點。假定密封墊片為石棉墊，使用一段時間后發(fā)現(xiàn)有泄漏現(xiàn)象，需要上緊，上緊螺栓后卡箍向內(nèi)收縮，切點由b移至c點，此時在軸向截面D-D上卡箍內(nèi)錐圓直徑大于高頸法蘭外錐圓直徑，在其他截面上也是如此，這時兩個錐面已經(jīng)不是緊密結(jié)合了，一瓣卡箍的內(nèi)錐面與高頸法蘭的外錐面只有一條線貼合，位置在一瓣卡箍內(nèi)錐面的中部，卡箍兩邊翹起來了，對兩瓣卡箍只有兩條貼合線。如果在安裝卡箍時沒有上到b點，墊片就已經(jīng)密封好或上不動螺母了，這時一瓣卡箍和高頸法蘭錐面有兩條貼合線，位置在卡箍的外邊，卡箍中間鼓起來了，由于相鄰兩瓣卡箍的凸耳距離很近，兩條貼合線的作用和一條相當。由此可以看出，現(xiàn)有的卡箍密封墊只能是軟密封，不能采用石棉板、金屬纏繞墊等強制性密封墊?？傊F(xiàn)有的卡箍安裝后都是卡箍的內(nèi)錐面與接管錐頭的外錐面貼合，不能有絲毫的錯位，上到位后螺栓緊一點卡箍就會翹起來，只能用有自緊作用的軟密封——橡膠O型環(huán)、橡膠C型環(huán)，使用面非常窄。石油工業(yè)中也有將卡箍用于高壓管道連接的，采用的密封墊為八角環(huán)，制造過程是將卡箍加墊片安裝成環(huán)后用車床精車，價格昂貴，而且只能用于小口徑管道。實際上，GB150.3《壓力容器第3部分：設(shè)計》中已經(jīng)指出，卡箍“密封環(huán)應具有自緊功能”(p281)，密封環(huán)只能采用橡膠O型環(huán)和橡膠C型環(huán)。因此，卡箍在工業(yè)上一直未能普遍推廣，目前僅在消防及上下水管上由管理部門強制普及，密封環(huán)為橡膠C型環(huán)?；ば袠I(yè)管道輸送的流體大部分都是易燃易爆介質(zhì)，而且溫度高，墊片一般都不允許使用橡膠材料，故現(xiàn)有卡箍無法應用到化工行業(yè)。技術(shù)實現(xiàn)要素：在傳統(tǒng)卡箍的基礎(chǔ)上，本發(fā)明目的是，提出了一種新型管連接卡箍及其管連接件：多瓣斜平面卡箍和多瓣斜平面卡箍管連接件，簡稱平箍和卡接?？ü颗c接管錐頭的結(jié)合面為斜平面，可以采用石棉墊、金屬纏繞墊及金屬環(huán)等各種密封墊，可以替代DN50以上口徑的法蘭，用于低壓、中高壓和易燃易爆介質(zhì)管道的連接。本發(fā)明的技術(shù)方案是，多瓣斜平面管連接卡箍，卡箍分為2組，組內(nèi)各卡箍瓣之間用銷連接，銷平行于連接管軸，組與組之間用螺栓連接，螺栓垂直于管軸，每個卡箍的外形均為部分圓環(huán)柱，里面為圓弧凹槽，凹槽的上下面為對稱的部分內(nèi)錐面，各卡箍連接成環(huán)后形成卡鏈。所述的卡箍，卡箍內(nèi)錐面的錐角，即內(nèi)錐面法向與卡鏈軸向的夾角α＝5～80°，最好為10～20°。所述卡箍的瓣數(shù)N為偶數(shù)，N最好不超過同口徑法蘭的螺栓數(shù)，如4瓣、6瓣、8瓣、10瓣、12瓣、18瓣等。所述的卡箍，每個卡箍內(nèi)錐面的中間部分凸出變?yōu)樘菪纹矫妫矫媾c軸面平行，即平面的斜角與錐面的錐角相等。所述的卡箍，單個卡箍梯形斜平面兩側(cè)邊延至卡鏈圓心所形成的梯形角γ的總合Γ＝40～330°，最好為180～300°，單個卡箍的梯形角γ＝Γ/N。本發(fā)明還提出了一種與上述管連接卡箍匹配的管連接件即接管，傳統(tǒng)卡箍標準將其稱為高頸法蘭，我們稱為接管。接管的一端為管頭，一端為凸出的錐頭，管頭與待接管道焊接，也可以用螺紋連接。錐頭的外錐角與卡箍的內(nèi)錐角相等，錐頭的外錐面用車刀削出N個與錐面平行的凹進的梯形斜平面。接管梯形斜平面兩側(cè)邊延至接管圓心角所形成的梯形總角的總合Β＝20～180°，最好為90～120°，卡箍梯形角與接管梯形角的比值γ/β≥1.1，最好為γ/β≥2。所述的接管，接管錐頭底面為密封面，采用強制性密封墊，如石棉墊、金屬纏繞墊及金屬環(huán)等，密封面型式為平面、凹凸面、榫槽面、環(huán)槽面或三角環(huán)內(nèi)槽面等。也可以采用有自緊功能的軟密封墊，如橡膠O型環(huán)、橡膠C型環(huán)。上述卡鏈與接管結(jié)合，形成了一種新的管路連接件：多瓣斜平面卡箍管連接件，簡稱為卡接。一套卡鏈和一對(兩個)接管組成一套卡接，兩個接管的錐頭之間放置密封墊，上緊兩組卡箍的連接螺栓，兩個接管的管頭分別與兩邊的管道焊接，就完成了卡接的安裝。有益效果：本發(fā)明所提出的卡接，可以用于DN15～3000管道的連接，但最好是DN50～700。使用壓力，從低壓到高壓。使用溫度，從零下低溫到高溫?？ü坎牧蠟樘间撳冧\，也可以發(fā)黑、磷化、鍍鎳等，也可以采用不銹鋼材料。接管材料為碳鋼或不銹鋼，也可以采用其他材料。卡箍和接管的制造，都采用鍛造毛坯后機加工，主要用于化工行業(yè)，用于民用管道連接也可以鑄造。本發(fā)明所提出的卡接，剔除接管直段的重量，與一對法蘭的重量比較，只是法蘭重量的20～30％。如果僅算剔除直管段后的接管重量，重量只是一對法蘭的2.5～6％?？ń拥闹圃?，除對錐角有嚴格要求外，對其他尺寸要求多不高，很容易制造?？ń邮袌龌?，低壓碳鋼卡接接價格只是法蘭的一半，中高壓價格優(yōu)勢更大。不銹鋼卡接，價格只是不銹鋼法蘭的20～30％。卡接可以用于閥門的制造，將閥門兩邊的法蘭換成接管，與管道用卡箍連接，使閥門的制造成本和價格大幅下降。本發(fā)明卡接的普及，將會掀起工業(yè)管閥件行業(yè)和管道連接領(lǐng)域的一場革命，對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和國民經(jīng)濟意義重大。附圖說明圖1中A傳統(tǒng)卡箍安裝圖,B為A的局部放大圖。圖2卡接三維圖，其中A為鼻邊箍，B為耳邊箍，c為組裝圖。圖3卡接組件三維投影圖，其中A接管，B為耳邊箍，c為鼻邊箍。圖4卡接刨面圖，其中1為接管，2為密封墊，3為卡箍，4為下接管。圖5接管標識圖，A、B為分別為上接管縱剖視圖及俯視圖，C為B中一局部放大圖，D、E分別為下接管俯視及縱剖視圖。圖6四瓣卡箍標識圖。A、B分別為縱剖視圖及A中局部放大圖俯視圖，C、D分別A圖中A-A左右件的剖視圖，E、F分別為圖C中的兩處剖視圖，G、H分別為為圖D中的兩處剖視圖。圖7六瓣卡箍標識圖。其中A、B分別為縱剖視圖及A中局部放大圖俯視圖，C、D分別A圖中左右件和上下件的剖視圖，E、F分別為圖C、D中的兩處剖視圖。具體實施方式1.命名本發(fā)明為新型產(chǎn)品，在描述之前先須對產(chǎn)品及部件進行命名，參見圖2～7。本發(fā)明將卡箍分成四瓣以上，將傳統(tǒng)卡箍的錐面貼合改成斜平面貼合，學名應稱為多瓣斜平面卡箍，我們簡稱為平箍，傳統(tǒng)卡箍我們簡稱為錐箍。卡箍連接件與管道焊接的部分，現(xiàn)有的標準和文獻都稱為高頸法蘭，我們稱為接管，接管與管道連接的一邊稱為對焊端，與卡箍連接的一邊稱為錐頭?？ü抗苓B接件由卡箍、接管、螺栓和銷四種零件組成，卡箍和接管是主件，螺栓和銷是連接件(附件)?？ü糠譃閮煞N，邊箍和中箍，邊箍又分為鼻邊箍和耳邊箍，鼻邊箍、耳邊箍和中箍又都稱為單箍?？ü康陌陻?shù)為2的倍數(shù)(偶數(shù))，最少為4瓣。圖2、3為四瓣箍的管路連接件三維圖和三維投影圖，A為鼻邊箍，B為耳邊箍，c為總成圖(組裝圖)，我們將卡箍管連接件總成簡稱為卡接。邊箍(A、B)的一頭為凸耳，鼻邊箍(A)的另一頭為銷鼻，耳邊箍(B)的另一頭為銷耳。對四瓣構(gòu)成的卡箍，一個鼻邊箍和一個耳邊箍用銷連接在一起，成為一組卡箍，兩組卡箍用螺栓連接在一起，成為一個整體，我們稱之為卡鏈，卡鏈與接管組成卡接。圖7為六瓣卡箍，六瓣箍分為兩組，一組三瓣，兩頭為鼻邊箍、耳邊箍，中間為中箍，中箍一頭為銷鼻、一頭為銷耳，中箍通過銷與邊箍連接。六瓣以上卡箍組成的卡鏈，都是由鼻瓣箍、耳邊箍和中箍這三種單箍組成，制造只需開三種模具。一套卡鏈和一對(兩個)接管組成一套管路連接件，兩個接管的錐底為密封面，密封面和密封墊片可以采用各種型式，兩個接管的管頭分別與兩邊的管道焊接，也可以用螺紋連接?？ㄦ湶牧蠟樘间摗⒉讳P鋼等金屬，采用鍛造毛坯、機加工的方法制造，耐高溫高壓，可用于易燃易爆介質(zhì)。所述的卡箍管連接件可用于閥門制造的連接，即將傳統(tǒng)法蘭連接式閥門上的法蘭改成所述的接管，閥門與管道用所述的卡鏈連接。所述的卡箍管連接件，采用強制型密封墊，尺寸按化工和石油化工設(shè)計標準設(shè)計，用于中高壓、易燃易爆介質(zhì)管路和設(shè)備的連接。所述的卡箍管連接件中，卡箍也可以采用鑄造的方法制造，接管的管頭與管道焊接或螺紋連接，墊片采用強制密封墊或軟密封墊，用于民用、低壓和不燃介質(zhì)管道的連接。所述的卡箍管連接件(卡接)，接管的口徑為DN15～3000，最好為DN50～700。2.定義卡接是一種新產(chǎn)品，主要用于化工、石油、發(fā)電、冶煉等工業(yè)領(lǐng)域，替代DN50以上大口徑法蘭，必須按照壓力容器國標和工業(yè)金屬管道國標的規(guī)范進行設(shè)計。在推導設(shè)計公式之前，先需對各部位進行命名和選擇標識符號，參見附圖。b——密封墊片的有效寬度；C1——接管對焊端管壁厚負偏差，C1＝12.5％；CDn——接管錐頭斜平面在內(nèi)切圓Dn上形成弓形的弓長，計算時圓直徑應取Dn+2vD；CDw——接管錐頭斜平面在外切圓Dw上形成弓形的弓長；CEn——卡箍斜平面在內(nèi)切圓Dn上形成弓形的弓長，計算時圓直徑應取Dn+2vE；CEw——卡箍斜平面在外切圓Dw上形成弓形的弓長；Di——接管對焊端內(nèi)徑；Do——接管對焊端外徑；D1——接管—錐面過度弧與錐面相交形成圓的直徑，D1＝Do+2r1(1—sinα)；Dn——內(nèi)剪切圓直徑，即接管錐頭切點處直徑，也等于卡鏈的孔徑；Dw——外剪切圓直徑，即接管錐頭的底徑；DG——密封面的有效直徑；d1——螺柱的最小截面直徑；d2——螺栓孔直徑；d3——銷的直徑；d4——銷孔直徑；d5——銷耳外徑；Ei——卡箍內(nèi)徑；Eo——卡箍外徑；fn——卡箍孔處直段高度，即內(nèi)切點處卡箍的厚度；fw——卡箍切點處的厚度，即外切點處卡箍的厚度；gD——接管錐頭錐面和斜平面的間距；gE——卡箍錐面與斜平面的間離；Δg——卡接組裝后接管錐頭斜平面和卡箍斜平面的間離；hn——接管錐頭切點處的厚度，即接管錐頭在內(nèi)切點處的厚度；hw——接管錐頭圓柱段的高度，即接管錐頭在外切點處的厚度；La——凸耳的力臂長度；Lw——凸耳的寬度；Ln——凸耳的厚度；m——墊片系數(shù)，無因次；N——卡箍的瓣數(shù)；nb——材料抗拉強度的安全系數(shù)；ns——材料屈服強度的安全系數(shù)；PN——公稱壓力，設(shè)計的最大使用壓力，bar；p——內(nèi)壓，MPa，p＝(PN+1)/10；r1——接管—錐面過度圓弧的半徑；r2——加工內(nèi)過度弧半徑，即內(nèi)倒角，取1～2mm；r3——加工外過度弧半徑，即外倒角，取0.5～1mm；u1——銷耳高度；u2——銷鼻高度；vD——接管錐頭斜平面在外切圓上形成弓形的弓高；vE——卡箍斜平面在內(nèi)切圓上形成弓形的弓高；y——墊片的密封比壓，MPa；α——錐角或斜角，錐面的與錐底的夾角，即錐面法向與錐軸向的夾角，包括接管頭外錐面和卡箍內(nèi)錐面的錐角，接管斜平面和卡箍斜平面與軸向截面的夾角，四個角相等；Β——接管錐頭N個梯形角的總和；βw——接管梯形角，接管錐頭梯形斜平面兩側(cè)邊延至接管圓心所形成的梯形角，以外切圓Dw為基準，β＝Β/N；βn——接管梯形角，以內(nèi)切圓Dn為基準；?！ㄦ淣個單卡箍卡箍梯形角的總和；γn——卡箍的梯形角，單個卡箍梯形斜平面兩側(cè)邊延至卡鏈圓心所形成的梯形角，以內(nèi)切圓Dn為基準，γ＝Γ/N；γw——卡箍的梯形角，以外切圓Dw為基準；δD——接管對焊端壁厚；δE——卡箍圓筒段壁厚；ΔC——弓長余量，安裝后在同一圓周上卡箍斜平面弓長比接管錐頭斜平面弓長多出的長度，指兩邊多出的同樣長度；ΔL——卡接間距，卡鏈孔邊與接管錐頭梯形斜平面上底線的距離；μ——摩擦角，鋼-鋼的μ＝5～8°，小值μ1＝5°，大值μ2＝8°；σb1——接管材料的抗拉強度，MPa；σb2——卡箍材料的抗拉強度，MPa；σs3——螺栓和銷材料的屈服強度，MPa；[σ]b1——接管材料的許用應力，MPa；[σ]b2——卡箍材料的許用應力，MPa；[σ]s3——螺栓和銷(軸)材料的許用應力，MPa；φ——焊接系數(shù)，接管對焊端設(shè)計有坡口，電焊，可以取φ＝0.8；ω——弓長比，安裝后在同一圓周上卡箍斜平面與接管錐頭斜平面的弓長之比。3.配合尺寸(1)梯形角梯形斜平面兩側(cè)邊延至圓心所形成的梯形角的簡稱，實際上斜平面的兩個側(cè)邊并是直線，只是近似為直線。我們規(guī)定接管斜平面面積為接管外錐總面積的1/4，即接管梯形角的總和Β＝90°，以接管錐頭圓柱段直徑Dw為基準，接管錐頭上單個斜平面的夾角為這樣的設(shè)計，卡接的連接件接觸面(卡箍—接管斜平面)比法蘭的連接件接觸面(法蘭—螺栓)要大的多，不會出現(xiàn)法蘭的翹曲現(xiàn)象，不必對墊片名義寬度b0進行矯正，即b＝b0?？ü刻菪谓堑目偤蜑棣?，經(jīng)設(shè)計方案比較，宜取Γ＝180～300°，以卡箍孔直徑Dn為基準，每個卡箍的斜平面夾角為考慮到公差、加工誤差和安裝時的錯位，為保證卡箍斜平面和接管斜平面完全貼合，宜取γ/β≥2。(2)斜平面與錐面的間距如圖5，接管錐頭斜平面在外切圓Dw上形成弓形的弓高vD為接管錐頭斜平面和錐面的間距gD為如圖6，卡箍斜平面在內(nèi)切圓Dn上形成弓形的弓高vE為卡箍錐面與斜平面的距離gE為卡接組裝后，接管錐頭斜平面和卡箍斜平面的距離Δg為Δg＝gE-gD(3-7)設(shè)計要求Δg應盡可能大，不能小于0.7mm，即兩個錐面應有盡可能大的間距。因斜平面與錐面平行，gD在每一處都是相等的，故vD在每一處也都是相等的，繪圖時可以據(jù)此作出梯形斜平面?zhèn)冗叺耐队扒€，很接近直線。(3)弓長比如圖5，接管錐頭斜平面在外切圓Dw(錐底圓)上形成弓形的弓長CDw為因斜平面與錐面平行，gD在每一處都是相等的，故vD在每一處也是相等的，由此可得在內(nèi)切圓Dn(卡鏈孔圓)上接管錐頭的梯形角βn為接管錐頭斜平面在內(nèi)切圓上形成弓形的弓長cDn為同理可得，卡箍斜平面在內(nèi)切圓上形成弓形的弓長cEn為外切圓上卡箍的梯形角γw為卡箍斜平面在外切圓上形成弓形的弓長cEw為卡箍與接管錐頭在內(nèi)外剪切圓上的弓長之比分別為卡箍與接管錐頭在內(nèi)外剪切圓上的弓長余量分別為弓長比ω和弓長余量ΔC反映了卡箍斜平面與接管錐頭斜平面貼合的可靠程度，對于DN50及以上卡接，設(shè)計要求ω≥2，ΔC≥10mm?？ü亢徒庸艿墓L比ω與梯形角比很接近，即ω≈γ/β≥2。(4)卡接間距接管錐頭斜平面中心線上剪切點處圓直徑為Dn，卡箍孔的直徑也為Dn。接管外徑—錐面過度弧r1與錐面相交形成圓的直徑為D1，接管錐頭梯形斜平面梯形上底邊線與圓D1相交。我們將卡鏈孔邊(Dn圓)與接管錐頭梯形斜平面梯形上底邊線(D1圓處)的距離稱為卡接間距ΔL，由圖5可得設(shè)計取ΔL＝4～6mm，對大口徑卡接，應取較大的ΔL。4.應力分析下面的設(shè)計計算公式，主要參照國標GB150-2011《壓力容器》標準釋義，國標GB150.1～4-2.11《壓力容器》，國標GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》，國家化工行業(yè)標準HG/T20582-2.11《鋼制化工容器強度計算規(guī)定》。4.1軸向載荷(1)內(nèi)壓作用在接管軸向截面上的拉力Fi為(2)內(nèi)壓作用在卡箍和接管錐頭上的軸向拉力FG為(3)墊片的軸向預緊力Fm為Fm＝πDGby(4-3)當采用自緊式密封墊時，F(xiàn)m＝0。式中b＝b0，因卡鏈接管錐頭不存在法蘭的翹曲現(xiàn)象。(4)操作狀態(tài)下卡箍承受的總軸向拉力各國壓力容器標準都是根據(jù)20世紀40年代的研究成果，認為在操作狀態(tài)時密封面上的壓緊應力應是設(shè)計壓力p的2m倍，即Fp＝2πDGbmp(4-4)其中m稱為墊片系數(shù)，根據(jù)墊片材料、形式和尺寸。當采用自緊式密封墊時，F(xiàn)p＝0。操作狀態(tài)下的軸向拉伸力Ft應是由介質(zhì)壓力所引起的軸向力FG與墊片操作狀態(tài)所需密封壓緊應力所引起軸向力Fp之和，可表示為4.2徑向載荷(1)墊片預緊時產(chǎn)生是徑向內(nèi)壓力FDj為Fmj＝πDGbytan(α+μ2)(4-6)(2)操作狀態(tài)下卡箍承受的總徑向外壓力Ftj為鋼—鋼摩擦系數(shù)f＝0.1～1.5，摩擦角μ＝tan-1f＝5.71～8.53°≈5～8°，為使計算結(jié)果可靠，預緊時μ取大值μ2＝8°，使用狀態(tài)μ取小值μ1＝5°，即應力取可能的最大值。4.3螺栓和銷的載荷在卡箍的任意徑向截面上，其承受的向兩邊的總拉力為徑向壓力的倍，由此可以計算出卡箍對面兩個螺栓所承受的拉力(螺栓總載荷)，其值也等于卡箍對面兩對銷的總載荷。(1)預緊狀態(tài)下螺栓的總載荷FmM為FmM＝2DGbytan(α+μ2)(4-8)(2)操作狀態(tài)下螺栓的總載荷Ftm為：FtM＝DGp(DG+4bm)tan(α-μ1)(4-9)計算螺栓尺寸時，應取FmM、FtM中的最大值，即FM＝max(FmM，F(xiàn)tM)(4-10)4.4說明現(xiàn)有的卡箍管連接件，卡箍和高頸法蘭的錐面只能有一種結(jié)合狀態(tài)—剛好貼合，這種狀態(tài)是不可改變的，螺栓只起到固定作用，因此可以說，標準和文獻的應力分析和強度計算公式都是建立在不實假設(shè)基礎(chǔ)上的。在GB150.3中，對卡箍強度計算還規(guī)定了一個預載狀態(tài)?？ü窟B接件在預緊狀態(tài)時兩密封面相互靠攏，高頸法蘭的外錐面相對于卡箍的內(nèi)錐面向外移動，在卡箍錐面上產(chǎn)生向里的摩擦力F。在操作狀態(tài)，兩密封面有分離趨勢，高頸法蘭外錐面相對于卡箍內(nèi)錐面向里移動，卡箍與高頸法蘭接觸面的摩擦力方向和預緊狀態(tài)方向相反，在卡箍錐面上產(chǎn)生向外的摩擦力F。在由預緊狀態(tài)轉(zhuǎn)到操作狀態(tài)的過程中，卡箍斜面上的摩擦力F由向里轉(zhuǎn)到向外。介質(zhì)壓力升起時，在兩密封面將要有分離趨勢的瞬間，作用在卡箍斜面的摩擦力仍然向里，此時稱為預載狀態(tài)，螺栓荷載與軸向應力的關(guān)系是將式(4-9)中的(α-μ1)換成(α+μ)。實際上，這是針對生產(chǎn)中的一種特征情況—開始時操作不當造成瞬間超壓，這種情況對DN15～25以下的小口徑管道容易發(fā)生，而卡箍只適應于DN50以上大口徑管道的連接，這種情況是不會發(fā)生的，或者說發(fā)生的幾率非常小。在GB150.3中，內(nèi)壓作用在卡箍和接管錐頭上的軸向載荷Fp計算這只是內(nèi)壓作用在卡箍和接管錐頭軸向的單面應力，顯然是錯誤的。在GB150.1中，規(guī)定：碳素鋼、低合金鋼材料的抗拉強度安全系數(shù)nb＝2.7，屈服強度安全系數(shù)ns＝1.5，螺栓除外；碳素鋼螺栓材料的屈服強度安全系數(shù)nsm＝2.7。nsm/ns＝1.8，增大螺栓屈服強度的安全系數(shù)，實際上是對式(4-2a)錯誤的補償。我們采用式(4-2)計算內(nèi)壓的軸向載荷，螺栓屈服強度安全系數(shù)取1.5，與采用GB150.3的計算結(jié)果其實是一樣的，而且更可靠，這樣做還取消了對螺栓材料安全系數(shù)的特殊規(guī)定，簡化了設(shè)計計算方法。5.尺寸計算現(xiàn)有的卡箍尺寸設(shè)計計算公式，都非常復雜，如GB150.3中計算公式多達37個。我們已經(jīng)設(shè)定接管斜平面的面積占接管外錐面積的1/4，計算接管錐頭切點處厚度時僅對切點處圓周的1/4進行強度計算，其余3/4圓周可以起加強作用。因此，對于卡箍和接管的尺寸計算，僅計算接管的管壁厚δ、接管錐頭切點處的有效厚度hn、卡箍切點處的厚度fw，不必考慮接管錐頭和卡箍錐面的彎折變形，設(shè)計計算過程大大簡化。5.1接管的管壁厚現(xiàn)有的管壁厚計算公式都是簡化近似式，計算過程復雜，這是在計算機和計算器出現(xiàn)之前得到的公式。由應力平衡，可以得到管壁厚的精確計算公式：上式的計算結(jié)果和GB50316中計算公式的計算結(jié)果相同。5.2卡箍的壁厚設(shè)卡鏈螺栓凸耳和銷處的空隙角總計為60°，即設(shè)N個卡箍的圓弧總周長為卡鏈圓周長的300/360，由力平衡可得銷耳和螺栓凸耳設(shè)計時，卡鏈的總空角應小于60°。5.3接管錐頭切點處的厚度由力平衡可得0.8[σ]b1為許用剪切應力。5.4卡箍切點處的厚度5.5螺栓(1)螺柱直徑對單凸耳卡箍，由力平衡可得對雙凸耳卡箍計算公式為(2)凸耳計算卡箍凸耳的抗彎折強度，對面兩對螺栓的總載荷由4個凸耳分擔，可得下式取力臂Lw＝螺母外接圓直徑+5～6。凸耳寬La，單凸耳取La＝0.8E，雙凸耳取La＝1.5×螺母外接圓直徑。螺栓孔徑d2＝1.2d1。5.6)銷(1)銷的直徑每個銷有四個剪切面，由力平衡得(2)銷耳和銷鼻(每卡箍兩端的連接件)取孔直徑為銷直徑的1.2倍，d4＝1.2d3。設(shè)銷耳高度為u1，銷鼻的高度為u2，取u2＝2u1，u2+2u1＝0.8F，故u1＝0.2F。由力平衡可得5.7材料的安全系數(shù)計算材料的許用應力，需要材料抗拉強度安全系數(shù)nb和屈服強度安全系數(shù)ns。GB150指出，“目前在壓力容器安全法規(guī)和技術(shù)標準中采用的安全系數(shù)是粗放型的，由于將許多細節(jié)問題一概通過安全系數(shù)進行保障，這就造成了無法準確評估裝置或設(shè)備安全裕度的問題”。我們采用GB150介紹的美國動態(tài)安全系數(shù)理念，安全系數(shù)采用各國標準中的較低者—英國標準，對DN≤15、PN≤100管件乘系數(shù)2(最容易出現(xiàn)操作失誤超壓)，DN20～25、PN≤40管件乘系數(shù)1.5，DN32～50、PN≤40管件乘系數(shù)1.2。表5-1英國標準材料的安全系數(shù)材料抗拉強度nb屈服強度ns碳鋼和低合金鋼2.351.5奧氏體不銹鋼2.51.55.8材料參數(shù)(1)力學性質(zhì)本發(fā)明實例所用材料的力學性質(zhì)，取自GB150.2-2011、GB/T1220-2000，見表5-2。表5-2鋼材鍛件的力學性質(zhì)MPa(2)墊片系數(shù)本發(fā)明實例密封墊片采用不銹鋼—石墨纏繞墊片，墊片系數(shù)m＝3，墊片比壓y＝17，取石棉墊比壓11的1.5倍。本發(fā)明實例密封面采用榫槽面，計算用墊片寬度b＝(榫寬+墊片寬度)/2。標準和文獻中不銹鋼—石墨纏繞墊片的比壓y＝90，按此計算法蘭由石棉墊換成金屬墊后，上螺栓的力度需增大8倍，法蘭的厚度也需增加8倍，這是一個明顯的錯誤，或是機器測量的簡單結(jié)果。實際上，法蘭由石棉墊換成金屬墊后，上螺栓的力只需增加一點，但必須上均勻，即上螺栓時要對面一圈一圈慢慢上，這點比上石棉墊要求高。上卡鏈很簡單，只要用力上螺栓就行，這也是卡接的優(yōu)勢之一。6.本發(fā)明設(shè)計計算結(jié)果按前述的本發(fā)明設(shè)計方法，計算了DN50～600卡接的尺寸，壓力PN25、40、63，密封面為榫槽面，墊片為不銹鋼—石墨纏繞墊片，墊片厚度3.2，設(shè)計接管列于表6-1、2、3，均為典型的實施例。從表中數(shù)據(jù)可以看出，弓長余量13～37mm，卡接間距4.7～6.3mm，對加工精度要求不高，很容易制造?？ü康某叽缑黠@比法蘭小很多，大口徑卡接并不像法蘭一樣需要很粗的螺栓，價格會比法蘭低很多。為了進一步和法蘭比較，我們計算了卡接重量。在比較卡接和法蘭重量時，法蘭應為一對(兩片)的重量?？ń又亓繎獮橐惶卓ü康闹亓考右粚庸苠F頭的重量，計算接管錐頭重量時內(nèi)徑應取管外徑，即剔除法蘭安裝時也有的管子，為便于敘述我們稱為有效錐頭重量?？ń勇菟愉N的重量，比法蘭一套螺栓的重量輕，因螺栓價值低，兩者重量比較時不計此項。法蘭的重量取自GB/T9124-2010，板式平焊法蘭。計算結(jié)果列于表中，可以看出，卡接的重量只是法蘭的10～30％，口徑越大，壓力越高，卡接比法蘭越輕?？ń咏庸苡行уF頭的重量只是法蘭重量的2.5～6％，因替卡接代法蘭時僅接管需換成不銹鋼，卡箍可以使用碳鋼(鍍鋅、鍍鎳)，不銹鋼卡接對不銹鋼法蘭的價格優(yōu)勢更大。表6-1壓力PN25卡接設(shè)計結(jié)果表6-2壓力PN40卡接設(shè)計結(jié)果表6-3壓力PN63卡接設(shè)計結(jié)果7.實例：1)DN100PN25卡接，按表6-1數(shù)據(jù)制造，試驗水壓5MPa，保壓24小時，無泄漏。2)DN150PN40卡接，按表6-2數(shù)據(jù)制造，試驗水壓10MPa，保壓24小時，無泄漏。當前第1頁1 2 3