管挤压连接技术的两次革命
管挤压连接技术的两次革命(通用机械杂志2006年第9期)
浙江华夏阀门有限公司 总工程师 徐长祥
重庆大学 复合传动与控制研究教授 唐中一
摘要
堪称首次管挤压连接革命的双箍式挤压管接件，是美国 Swagelok(遂挤密封)公司于1947年引进的。本文介绍引起再次挤压管接件革命的的设计原理和结构。该原理更多的是属对Swagelok近60年积累的应用经验的一种提炼，该结构是该原理指导下的一种创新设计。该原理是“管挤压结构应有一个抱持箍，具有既强又弱的抗收缩强度，强以满足连接密封动作的需要，弱以满足连接紧固动作的需要，用于为挤压连接安装张紧提供两个相继又相隔的彼此不同的挤管运动，一个是为挤光密封接合，另一个是为挤凹紧固接合。”
1 管连接方法简介
作为动力传递与介质传输管道的连接，有焊接、螺纹、法兰、喇叭口、挤压等方法，但不管什么连接都得完成密封与紧固。焊接连接靠焊接金属同时密封和紧固，密封螺纹连接靠螺牙同时密封和紧固，紧固螺纹连接靠端面垫密封、靠螺纹紧固，法兰连接靠端面垫或端面配合密封、靠螺栓或螺纹紧固，喇叭连接靠喇叭密封、靠螺纹紧固，挤压连接靠挤在连接件和管间的箍实现密封和紧固。
2 管挤压连接的发展
管挤压连接有单箍和双箍两种结构形式。图1是现有技术ISO8434的单切箍结构——主要靠箍刃切入管材密封和紧固，图2是现有技术ISO8434的单压箍结构——靠箍挤压在管上密封和紧固，图3是现有技术的双箍式挤压结构。
图1a 图1b
原始的双箍式管挤压结构，如图4所示，是1947年美国Swagelok(遂挤密封)公司的US2484815专利，以超越和淘汰上述单箍式结构为技术背景披露的，称着管挤压连接的首次革命，其中图4a是手指拧紧状态，其中图4b是扳手拧紧状态。在此后的近60年里，Swagelok又陆续申报了16项改进专利①。图5是这16项专利中现在还受专利保护的结构，其中图5a是手指拧紧状态，其中图5b是扳手拧紧状态。图3所展示的是这16项专利中过期专利的基本结构，正在被Swagelok自己在大于1/2”或12mm规格产品中和其它制造商在以“lok”命名的系列产品中使用，如在A-lok、Gyrolok、Tylok、Hy-lok、Well-lok等系列产品中使用②③。
其它制造商不仅追随Swagelok用其“lok”命名产品的系列或商标，而且还在产品目录中一一引用Swagelok的产品代号，或声称同Swagelok产品完全互换②③，其中，最典型的当属1966年进入世界500强的现年销售已达80亿美元的美国Parker公司，从侧面证明，Swagelok的管挤压连接技术在世界上是现有领先技术。
美国Swagelok公司，1947年以其双箍式管挤压连接专利结构为招牌起步，并一直围绕其进行开发和发展，到目前为止，从正面，用17项专利说明和确立了其在世界上的持续领先地位，用10亿美元的资产和54个国家的200个销售中心的跨国地位公示了其技术的经济价值。
可以说，Swagelok双箍式管挤压连接技术的发展就是世界管挤压连接技术的发展。
4 引起第二次挤压管连接革命的新设计原理
管挤压连接，通过驱动螺母同连接体的螺纹旋合，把箍驱挤在被连管和连接件间，要完成的是箍对管及连接件的密封连接和紧固连接，主要在于完成箍对管的密封挤光连接和箍对管的紧固挤凹连接；密封挤就接合面越光滑，连接的密封性越好，紧固挤就接合面越凹，连接的紧固性越好；管挤压连接的反复拆装性，主要取决于密封挤就接合面的致密性恢复，挤就密封接合面越平越浅，连接的重复安装性就越好；也就是说，管挤压连接应有两个互不相同的挤管运动，一是挤平密封运动，二是挤凹紧固运动。然而，提前完成紧固连接的挤压连接，将无力再激起挤平运动去完成密封连接；滞后而不与挤平运动隔离的挤凹运动，将引起挤就密封接合面的过驱动变形而影响已完成的密封连接；也就是说，管挤压连接所需的挤平运动和挤凹运动还应是两个相继又相隔的挤箍运动。
密封箍相对其轴向动力是增力楔，相对其径向动力是增力杠杆；轴向动力把密封箍楔入连接体和被连管间的同时，径向动力再撬密封箍头部入被连管和连接体，实施密封连接，径向动力的反作用力使抱持箍收缩抱管，实施紧固连接；显然，抱持箍的抗收缩强度越强越有利于其用力实施密封，越弱越有利于其收缩紧固。也就是说，管挤压连接的密封用力和紧固动作对抱持箍的强度要求完全是矛盾的。这对矛盾是决定挤压管接性能的主要矛盾，一旦解决，其它影响连接性能的次要矛盾将迎刃而解。
所以，管挤压结构应有一个抱持箍，具有既强又弱的抗收缩强度，强以满足连接密封动作的需要，弱以满足连接紧固动作的需要，用于为挤压连接安装张紧提供两个相继又相隔的彼此不同的挤管运动，一个是为挤光密封接合，另一个是为挤凹紧固接合。
应当指出，这里提出的新设计原理，更多的是属对Swagelok近60年积累的应用经验的一种提炼①②，提出的新结构是该原理指导下的一种创新设计。
5 革命性的张紧过程、动作及性能
5.1 密封悬臂及其挤平运动
如图7a和图7b所示，新挤压管接件在密封箍(2)和被连管间设计有一个径向间隙，在密封箍和配合连接体(1)间设计有一个角度间隙。密封箍头部，随着其对着连接体的驱挤，将不断地向被连管内弯、收缩、悬伸，形成一个密封挤管悬臂；当径向间隙较小时，即被连管较大时，形成的悬臂是以端面内刃领先的(见图8b)；当径向间隙较大时，即被连管较小时，形成的悬臂是以端头内部弯曲弧领先的，弧是由太长的悬臂弯曲形成的；由于弧是由较大的变形硬化而来的，因此，以较钝的弧为先的悬臂的挤管能力，不亚于以较尖的刃为先的悬臂的挤管能力。在触及被连管后的受驱过程中，密封悬臂将反复被挤入挤出被连管表面，始终保持对管和体的平衡地、无可见凹陷地挤压，最终交付一个非常平滑的接合，从不会交付任何有可见凹陷的接合。
如图9b所示，由于密封接合面已被弹性密封悬臂所完全隔离和悬空，因此，该密封连接富有独特的抗振性和自密封性；由于密封悬臂薄而随被连管外径大小而伸或生，因此，它的形状和大小都可很好地适应管材直径、不直度及椭圆度的大变化。
5.2 抱持箍及其相关密封用力和紧固动作的抗收缩强度
抱持箍(3)是一圈开口圆钢丝弹簧，弱得手指拧紧驱动螺母就可把它缩紧在被连管上，当然能非常理想地满足连接紧固的弱抗收缩强度需要。然而，只要密封箍(2)的内部径向间隙和外部角度间隙还尚存时，抱持箍对密封悬臂的密封动作就又会显得非常强大，因为密封箍被驱动螺母(4)和抱持箍，如图8a和图8b所示，首先仅通过其头部附近的一外圆驱挤在连接体(1)的锥孔壁上，然后才通过密封箍尾的抱持箍和箍头的悬臂桥挤在被连管上，以至于密封箍相对其来自抱持箍的轴向动力是增力楔，相对其来自抱持箍的径向动力是增力杠杆，而抱持箍是这个高倍楔杠的原动力入端，悬臂是动力放大输出端，当然，致使密封悬臂的挤管动作远远强于抱持箍的挤管动作，乃至只要密封箍还尚可向前推动，抱持箍永远都不可能先于密封悬臂锚死在被连管上，或者说，抱持箍在密封悬臂的平滑挤动期间，只能在被连管上滑动。
5.3 双楔止驱与防震结构
一旦抱持箍(3)被挤入被连管而在其下面的管表面上形成一个相当于左右两个小斜楔的凹陷弧坑，任何来自驱动螺母(4)对抱持箍的驱动增力ΔF都会引起被连管对抱持箍的一个反作用力ΔF。如图9c所示，这个反作用力ΔF被两级斜楔放大后而变成比驱动增力ΔF大十多倍的阻力：F=ΔF/tgatga0，交付操作者明确“止感”，阻止过拧操作，其中a和a0是相关楔角。同样，任何来自密封箍对抱持箍的后退脉冲也注定被数十倍地放大后反馈回去抵消脉冲的冲击，维持原有密封状态不变。这就是由两个斜楔组成的双楔止驱与防震结构的形成与作用。
5.4 挤平运动与挤凹运动的控制和隔离
初始阶段，随着抱持箍(3)把密封箍(2)的楔进撬出，密封箍头部将不断地向被连管表面内弯、收缩、悬伸。当悬伸深度达到一定程度时，密封悬臂将被挤出被连管表面去试图缩短悬伸长度、增大同体(1)的接触、降低收缩变形压强、减少对管的挤压；随着密封箍的进一步楔进撬出，缩短后的密封悬臂又将以更强的力量再次向被连管表面内悬伸。这样，在楔杠的激励下，密封悬臂将周而复始地被挤进挤出被连管表面去不断擦刮密封接合面及自动平衡对体和管的挤压。这就是管挤压连接所需的密封悬臂的挤平运动，总是伴随密封箍的移动而动，不会挤出任何可见凹陷坑。
随着密封悬臂不断地被挤进挤出及不断强化地挤在被连管和连接体间，密封箍将不断地按其配合锥孔角度变化，缩小与体的角度间隙、增强同连接体的接触而降低收缩变形压强、增大楔进阻力的同时缩短杠杆力臂长度、弱化密封楔/杠功能，最终由密封楔/杠结构蜕变为推不动的“泰山”----作为楔，接触面积大(变形压强小)而楔不进，作为杠杆，力小臂短而撬不动。
随着密封箍同连接体的接触加大和楔/杠功能的弱化，密封箍的前进阻力越来越大。当密封箍的前进阻力大到被连管表面无法再支撑抱持箍对密封箍的楔入撬进用力时，只好把抱持箍反压入被连管表面，形成一个双楔止驱与防震结构。当抱持箍往被连管内一陷，被连管将同密封箍一道阻止抱持箍再沿管滑动。此时，在密封箍尾的受驱角度面的诱导下，如果抱持箍要再往前挤动一点，则必须再更多地挤入被连管去加强同管的紧固连接，如果抱持箍要往被连管内多挤进一点，则抱持箍对密封箍的推力有可能急剧下降，甚至有可能瞬间为零。这就是说，双楔止驱与防震结构一经开始生成，就意味着抱持箍的挤凹运动已经启动，密封箍的楔/杠功能将被闲置，密封悬臂将脱离驱动，其挤平运动将完全终止。从此时起，任何进一步驱动只能引起抱持箍的挤凹运动，不会再引起任何涉及影响已完成密封的运动。
可想而知，被连管越软或越弱，抱持箍就越易或越早陷入被连管，反之，被连管越硬或越强，抱持箍就越难或越晚陷入被连管；换句话说，本挤箍结构可自动适应管材软硬与强弱变化，始终都可提供最佳连接。
5.5 使用新挤压管接件替代现有挤压管接件的表层与深层意义
同现有世界水平挤压管接件相比，新挤压管接件安装无需预安装工具、无需拧紧限制、无需安装量规、无需因换箍而弃管，反而安装与工作更可靠，还无不良张紧、无驱动咬死、无安装气陷阱；因更可靠而可再减少泄漏污染，因更可靠而可再适当提高管路设计压力、降低管道直径、节约管材及其冶炼能源，因而更环保、更节能④。
参考文献
① 美国Swagelok公司17项系列专利：
US2484815(1947年)、US3075793(1959年)、US3103373(1961年)、US4826218(1987年)、 US4915427(1988年)、US6345845(1998年)、US5882050(1997年)、US6131963(1998年)、US6629708(1999年)、US6463778(2000年)、US6834524(2002年)、US6279242(1999年)、US6502323(2001年)、US6640457(2002年)、US6766582(2003年)、US6941668(2004年)、US20050097763(2005年) 自www.freepatentsonline.com下载
② 美国Swagelok公司的样本，自www.swagelok.com/downloads/webcatalogs/EN/MS-01-140.PDF下载
③ 美国Parker公司的样本，自www.parker.com/icd/cat/english/4230-4233.pdf下载
美国Hoke公司的样本，自www.hoke.com/products/gyrolok/79307_1205_lo.pdf下载
美国Tylok公司的样本，自www.tylok.com/documents/Doc._72305_Rev._E.pdf下载
韩国Ｈy-lok公司的样本，自www.hy-lok.com/product/tube_f.asp下载
印度SealExcel公司的网页，自www.sealexcel.com/single-ferrule-cＦompression-tube-fittings1.html下载
④ Swagelok公司MS-06-16样本，自www.swagelok.com/downloads/webcatalogs/EN/MS-06-16.PDF下载
Synopsis
The double ferrule design of swage tube fittings, called one revolution of swage tube connection, was introduced by Swagelok in 1947. This paper introduces the designing principle and arrangement causing another revolution of swage tube fittings. The new principle is more of a refinement of Swagelok’s application experiences for about last 60 years, while the new arrangement is a creative design in accordance with the principle. The new principle says: “A design of swage tube fittings shall provide a holding ferrule with both a strong contraction resistance to meet sealing actions and a weak contraction resistance to meet fastening actions, used to provide two successive tube-swaging motions different and isolated from each other for make-ups, one for having a swage-smoothed joint, and one for having a swage-depressed joint.”
注：作者联系信息如下：
徐长祥
工作单位：浙江华夏阀门有限公司
通信地址：温州市龙湾区永中街道华夏阀门
邮编：325024 电话：0577-86918799
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唐中一
工作单位：重庆大学
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