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绝缘接头的演变历程及其发展趋势

绝缘接头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绝缘接头是法兰式绝缘接头,又称绝缘法兰。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。绝缘法兰在外观上与普通的法兰连接没有本质区别。只是两法兰间的密封垫采用绝缘材质制造;各螺栓、螺母与法兰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,绝缘法兰的受力情况甚为复杂,从而导致两法兰面倾斜、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兰的对接密封面上,因此需要经常将法兰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兰,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绝缘接头。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兰连接 

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。而螺栓法兰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兰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,法兰错位或倾斜的情况大大减少。 

2.整体式绝缘接头 

尽管螺纹连接件较螺栓法兰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。整体式绝缘接头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。 

我公司的整体式绝缘接头是针对国内绝缘法兰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绝缘接头。 

二.整体式绝缘接头改进创新 

整体式绝缘接头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”设计技术将原密封结构改为双重密封。 

它的特点是:一旦某种因素使其中一道密封结构受损,性能破坏,还有另一道结构能正常工作,确保必要的密封性能。 

橡胶密封垫设在第一道密封之后,避免与燃气中会激发橡胶老化的组分直接接触,可延缓其老化速度,延长使用年限。 

利用绝缘套8,将套筒7与下导管2之间的空隙密实充填。在弯曲载荷的作用下,绝缘垫片5和密封垫4基本不受其影响,而使其工作性能稳定。 

如图所示:绝缘套8密实充满套筒7与下导管2之间的空隙,在下导管受外力矩M作用时,下导管A部位、B部位对绝缘套与之相接触部位施加了一定的力。绝缘套对下导管A、B部位总的反力所形成的力矩与M平衡。此时,绝缘垫片基本不受M所引起的附加力,则可免受外加弯曲载荷的损伤。而当套筒7与下导管之间存有空隙时,外加力矩M使绝缘垫片的局部位置受到附加的压缩力,则可能影响其工作性能。

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三.整体式绝缘接头结构设计 
从结构上来说,我公司的整体式绝缘接头内部型式与意大利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。 

该整体式绝缘接头由上、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绝缘接头长期工作不需维护、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整体式绝缘接头是在整体式绝缘接头的基础上设计的。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)焊接时产生的热量对绝缘垫片、绝缘套(工程塑料)有破坏,需避开热影响区; 
(2)16Mn锻件在边焊接边冷却(水冷)时可能发生金相组织的变化,产生马氏体组织,造成材料硬、脆。 

为避免上述情况的产生,在结构设计上采取了以下措施: 

1)尽量拉开焊接区和绝缘垫片、绝缘套装配位置的尺寸,避开热影响区; 
2)适量增大锻件的截面积,使得散热区域尽量大,加快散热速度。 

在DN500的设计过程中,根据DN40~200的实际生产和使用情况,对橡胶密封件的压缩量适当进行了修改,使得原来21%左右的压缩量提高到27%,这样将进一步提高密封效果。 

四.整体式绝缘接头的相关指标 

经过综合比较,我公司的整体式绝缘接头具有如下优点: 

☆导管金属材料为锻件,其各项力学指标较国外板材好; 
☆绝缘垫片采用特殊配方的工程塑料,强度更高; 
☆结构上,零、组件材料易于购买且有较好的加工性能,整体装配时亦比较容易; 
☆产品的各项性能指标均达到或优于国外同类产品的指标; 
☆增加了该产品的拉伸、抗压性能指标,为国外同类产品不具有的。 

经过测试我公司的整体式绝缘接头的性能指标如下: 

◇绝缘电阻≥5 MΩ 
◇击穿电压≥3KV-50HZ 
◇工作温度:-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,这些都是绝缘法兰远远不能相比的。 

我们对绝缘接头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.整体式绝缘接头的发展趋势 

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绝缘接头的发展过程来看,市场对绝缘接头正不断提出各项要求。从大体上来说,绝缘接头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绝缘接头的某些零部件,是提高绝缘接头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,需要对绝缘接头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,通过提高绝缘接头的整体质量水平,以适应实际工作中恶劣的自然环境和工程技术要求。 

结束语 

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绝缘接头,替代了传统的绝缘法兰。从用户的信息反馈来看,整体式绝缘接头安装、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。整体式绝缘接头替代绝缘法兰是一种发展趋势,它将给管道维护、使用带来诸多的便利。 

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