一種適用於高溫條件的管接頭卡套的製作方法

2023-12-01 06:10:41 1

專利名稱：一種適用於高溫條件的管接頭卡套的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於高溫條件下的管接頭卡套，尤其適用於陶瓷管件與金 屬管線之間的連接。
背景技術：
陶瓷材料具有優異的化學穩定性和高溫穩定性，但是它的最大缺點是易脆 裂。陶瓷管與金屬管線的連接方法通常有3種焊接、粘接和機械連接。焊接法 能實現良好的密封並具有一定的強度，但金屬和陶瓷性質迥異，必須採用特殊的 焊接工藝。文獻報導的金屬-陶瓷焊接法有很多[葉大萌，熊惟皓，徐華安.金屬
陶瓷與金屬焊接技術的研究現狀與展望.材料導報，2006, 20(8): 72~75.]，如熔化 焊、釺焊、壓焊、中性原子束照射、自蔓延高溫合成、液相過渡等，這些方法在 工藝上大多還處於研究階段，且操作十分繁瑣。粘接法的難處在於缺乏合適的高 溫粘接劑，這是因為金屬與陶瓷的物化性能與膨脹係數有較大差異，使得粘接強 度與密封效果很難滿足高溫使用條件的要求。機械連接法是通過接頭、螺紋、法 蘭、卡套等來實現陶瓷管的密封以及與其它部件的連接，具有簡單易行、成本低、 拆裝方便的優點，但陶瓷屬於脆性材料，即使在常溫下，接頭設計和操作過程也 必須格外小心，在高溫條件下難度更大，密封效果也更難保證。
石墨是非常理想的高溫密封材料。以石墨墊對陶瓷管進行端面擠壓是一種最 常見的高溫密封方式[Y. Huang, R. Dittmeyer. J. Membr. Sci" 2006， 282(1-2): 296-310][洪學倫，吳迪鏞，付桂芝，邱國文，劉朝普. 一種無機材料與金屬密封 連接組件.CN 96225849.0， 1996]。端面擠壓法要求管件的端面必須平整且與管 體垂直，密封效果則取決於壓力大小壓力不足則密封不嚴，壓力過大易壓碎陶 瓷管；升溫過程中，還要考慮到各部件的受熱膨脹也可能壓碎陶瓷管。端面擠壓 法顯然不適用於具有較大長徑比的陶瓷管件。降溫後，端面擠壓法的密封效果下 降。另外，陶瓷管的管壁較薄時，在擠壓過程中它對石墨墊產生的剪切力可能會 破壞密封效果，即使採用內含金屬芯的石墨墊依然難以解決根本問題。o形圈式 的密封方式是通過O型圈的擠壓變形來實現的，密封效果取決於O形圈的彈性。 具有良好彈性的橡膠O形圈不耐高溫，而耐高溫的密封材料如石墨卻又缺乏彈 性，因此這種密封方式也不理想。本專利仍以石墨作為密封材料，密封方式類似於O形圈式，但設計了一種具有特殊結構的連接卡套，很好地解決了這些問題。

發明內容
本發明的目的是針對脆性材料與金屬管線之間採用石墨墊進行高溫密封時 所存在的問題，而提出了一種適用於高溫條件的管接頭卡套。
本發明的技術方案為 一種高溫連接卡套，其特徵在於由螺帽(l)、螺栓(2) 和作為密封材料的石墨墊(4)組成；螺帽(1)和螺栓(2)面向石墨各有一個
斜面，其中螺帽(1)面向石墨的斜面與工作管件之間夾角為5-80°，螺栓(2) 面向石墨的斜面與工作管件之間夾角為5-90°;與工作管件(3)所接觸的石墨長 度為4-30 mm。
螺帽面向石墨的斜面與工作管件之間呈的夾角為15-45°;螺栓面向石墨的斜 面與工作管件呈的夾角為30-50°;兩斜面可以是平滑的，也可以是含有螺紋或凹 凸的曲面。這樣可以進一步增加密封面的長度。
所述的工作管件為脆性材料管件(如陶瓷管，金屬管，塑料管)；工作管件 外徑為5-100 mm;所述的螺帽及螺栓外徑為8-120 mm。
螺帽(1)和螺帽(2)均為金屬材質，優選不鏽鋼材質，外側能用扳手施力旋緊。
作為密封材料的石墨墊是圍繞工作管件的環形密封墊；用模具預先成型，或 者是將石墨直接放入螺帽與管件中的空腔處用螺栓當場擠壓而成。所述的石墨為 石墨粉、石墨紙、石墨絲或石墨碎塊。
如一次擠壓後能將螺紋完全旋進螺母，則旋開螺栓(2)繼續補加石墨，直 至螺栓螺母擠緊後螺栓空出l-3mm螺紋。由於石墨中可能含有高溫下不穩定的 雜質，因此應將石墨事先在高溫下處理。
以陶瓷管為例，所發明卡套的工作原理如圖1所示。螺帽(1)、螺栓(2) 和陶瓷管(3)之間形成一個梯形截面的環狀密封腔，密封腔中為石墨密封材料 (4)。密封后氣體可能洩露有兩條路線其一是螺帽(1)與石墨環(4)的界面， 其二是石墨環(4)與陶瓷管(2)的界面，這兩個界面即是密封面。顯而易見， 密封材料與螺帽及陶瓷管的接觸面越大、接觸越緊密則密封效果越好。圖1所示
的設計方案， 一方面大大延長了這兩個密封面的長度，另一方面通過螺帽(1) 與螺栓(2)對石墨環(4)的擠壓可同時實現石墨環與前兩者的緊密接觸，因而 可實現良好的密封作用。傳統卡套的密封腔為截面呈矩形的環，並以石墨o形 圈或O形環作為密封墊，卡套對石墨的擠壓力主要是縱向的，而石墨墊與陶瓷管之間的密封需要的是側向壓力，由於石墨不是彈性材料，縱向壓力很少能夠轉 為側向力，因此無法實現良好的密封。而本發明所設計的卡套利用了物理學上力 的分解原理，既增大了密封面又實現了密封材料與密封面的緊密結合，從而保證 了密封效果和連接強度。
陶瓷管的外徑為5-100mm，螺栓(2)的內徑尺寸與陶瓷管相匹配，陶瓷管 也可能略呈不規則圓形，此時要通過增加螺栓(2)的內徑來保證陶瓷管能順利 進入螺栓。密封腔的高度即石墨填充高度在2-10 mm，密封腔越高則螺帽(1) 和螺栓(2)需要旋得越緊以對密封材料產生足夠的擠壓力；密封腔越長則密封 面越長，密封效果越好。只不過會使卡套顯得過於笨重，且卡套會更多地罩住陶 瓷管，因此密封腔最優填充高度為3-6 mm。螺帽(O和螺帽(2)均為金屬材 質，優選不鏽鋼材質，外側能用扳手施力旋緊。螺帽(1)的底端可與金屬管線 相連，亦可封閉成陶瓷管堵頭。
本發明所說的陶瓷材料也包括多孔陶瓷以及以陶瓷為基體的複合材料。例如 具有優良透氫性能的以多孔陶瓷為基體的鈀或鈀合金膜[黃彥，李雪，範益群， 徐南平.透氫鈀複合膜的研究進展原理、製備及表徵.眾^^^ 2WM， 7S(2-刀: ，-23&]。
本專利所設計的卡套也適用於金屬管材的高溫密封和連接。
有益效果
所發明的管接頭卡套巧妙地利用了物理學上力的分解原理，既增大了密封面 又實現了密封材料與密封面的緊密結合，從而保證了密封效果和連接強度。解決 了脆性材料的高溫密封難題。該卡套結構緊湊、易於加工、使用方便、密封效果 好。傳統的管接頭卡套，在使用一次以後，卡套中的密封件將與金屬管牢牢地結 合在一起，更換卡套時只能將金屬管切斷。而本專利的卡套更換方便，只需將螺 栓(2)擰開破壞石墨墊即可脫下卡套。


圖l.卡套結構示意圖；其中l-螺帽；2-螺栓；3-管件；4-石墨墊。
圖2.卡套結構示意圖；其中l-螺帽；2-螺栓；3-管件；4-石墨墊；5-凹陷。
5具體實施方案 實施例1
所使用的管件為外徑12mm、內徑8mm、長10cm的剛玉陶瓷管。兩端卡 套設計如圖1所示，其中不鏽鋼螺帽的密封面與不鏽鋼螺栓的擠壓面傾斜角度分 別為40和45°，與陶瓷管所接觸的石墨長度為15 mm。密封材料為0.5 mm厚石 墨紙剪成的碎片，事先在500°C焙燒3 h。將石墨碎片放入卡套的密封腔中，旋 緊螺栓，將石墨壓實後再將螺栓旋開，補加石墨。剛玉管兩端密封后， 一端封閉， 另一端通過閥門與鋼瓶氮氣相連。剛玉管內加壓0.4MPa，關閉閥門，發現3min 內管內壓力無變化，說明不漏氣。將陶瓷管與卡套在450。C加熱3h，再次進行 氣密性測試，仍未發現漏氣。密封組件經室溫 450。C之間反覆5次升降溫處理， 發現氣密性沒有任何變化。
實施例2
同實施例l，但密封材料改為為石墨粉，發現氣密性良好。 實施例3
同實施例l，但管件改為外徑20mm、內徑10mm、長15cm的不鏽鋼管。
發現氣密性良好。
實施例4
同實施例1，但不鏽鋼螺帽的密封面與不鏽鋼螺栓的擠壓面傾斜角度分別為 20和50°，與陶瓷管所接觸的石墨長度為10mm。發現氣密性良好。
實施例5
同實施例1，但卡套構造如圖2所示螺帽(1)的密封面增加了一個半圓
形的凹陷(5)，延長了螺帽(1)與石墨之間的界面。
以上實施例僅用來說明本發明，在沒有脫離本發明精神的情況下所做的任何 等效的變化，都屬於本發明權利要求的範圍。
權利要求
1. 一種適用於高溫條件的管接頭卡套，其特徵在於由螺帽(1)、螺栓(2)和作為密封材料的石墨墊(4)組成；螺帽(1)和螺栓(2)面向石墨各有一個斜面，其中螺帽(1)面向石墨的斜面與工作管件之間夾角為5-80°，螺栓(2)面向石墨的斜面與工作管件之間夾角為5-90°；與工作管件(3)所接觸的石墨長度為4-30mm。
2. 如權利要求1所述的卡套，其特徵在於螺帽面向石墨的斜面與工作管件 之間呈的夾角為15-45°;螺栓面向石墨的斜面與工作管件呈的夾角為30-50°;兩 斜面是平滑的，或者是含有螺紋或凹凸的曲面。
3. 如權利要求1所述的卡套，其特徵在於所述的工作管件為脆性材料管件； 工作管件外徑為5-100 mm;所述的螺帽及螺栓外徑為8-120 mm。
4. 如權利要求1所述的卡套，其特徵在於作為密封材料的石墨墊是圍繞工作 管件的環形密封墊；用模具預先成型，或者是將石墨直接放入螺帽與管件中的 空腔處用螺栓當場擠壓而成。
5. 如權利要求4所述的卡套，其特徵在於所述的石墨為石墨粉、石墨紙、石 墨絲或石墨碎塊。
全文摘要
本發明涉及一種適用於高溫條件的管接頭卡套，由螺帽(1)、螺栓(2)和作為密封材料的石墨墊(4)組成，其中，螺帽(1)和螺栓(2)與石墨(4)的界面都有一個斜面，這樣不僅延長了石墨(4)與螺帽(1)和工作管件(3)之間的兩個密封面的長度，同時又利用了物理學上力的分解原理，使螺帽(1)和螺栓(2)提供的擠壓力部分轉化成石墨(4)對工作管件(3)的壓力，從而保證了密封效果和連接強度。該卡套尤其適用於脆性材料管件的高溫密封和連接。
文檔編號F16L13/007GK101440901SQ20081024413
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月23日 優先權日2008年12月23日
發明者胡小娟, 陳衛東, 彥 黃 申請人:南京工業大學