CN101946112A - 松套法兰盘式喇叭管接头及使用该接头的钢管的接合方法 - Google Patents

Abstract

松套法兰盘式喇叭管接头，具有在2个钢管的端部分别形成的喇叭部和与喇叭部分别抵接的松套法兰盘，喇叭部的端面相对于钢管的中心轴的角度θ、与喇叭部和钢管的连结部的角部曲率半径R满足算式87≤θ≤0.88Ln(R)+89.3。该钢管的接合方法包括：在钢管的端部形成满足上述算式的喇叭部的工序；使在2个钢管的端部分别形成的喇叭部对接的工序；以及通过2个松套法兰盘夹持对接的喇叭部而进行机械性连结的工序。

Description

松套法兰盘式喇叭管接头及使用该接头的钢管的接合方法

技术领域

本发明涉及一种利用螺栓连结法兰盘从而将配管类接合的管接头，更详细地说，涉及具有设置在钢管的端部上的喇叭部和与喇叭部抵接的松套法兰盘的机械式接头。

本申请主张2008年3月24日申请的日本特许申请第2008-075958号的优先权，在此援引其内容。

背景技术

在对输送水、空气、蒸气等流体的室内配管进行接合的方式中，使用利用螺栓连结法兰盘的机械式接头。通过焊接在钢管的端部上或使设置在钢管的端部上的喇叭部与松套法兰盘抵接等方法，将这样的机械式接头的法兰盘设置在钢管的端部上。

近年来，不需要进行焊接而能够在施工现场简单地进行喇叭加工并能够缩短施工时间的松套法兰盘式喇叭管接头的需求提高。另外，通常，在室内配管中，进行不在钢管上伴随出现轴向力或弯曲的配管设计，通过松套法兰盘式管接头使配管接合(例如，专利文献1、2)。

由于该松套法兰盘式喇叭管接头不需要利用火，所以例如在船舶内配管中的需求也提高。此时，船舶的发动机振动、因波动而产生的振动使接头部被施加反复的拉伸应力。因此，需要即使在存在反复的负荷下也能够维持密封性的松套法兰盘式喇叭管接头。

然而，至今为止还没有开发出在被施加反复的负荷时能够维持输送流体的密封性的接头。此外，提出有内压越高密封力越强的松套法兰盘式管接头(例如，专利文献3)。但是，在该技术中，也不能够在被施加反复应力时确保密封性。

另外，提出有提高喇叭加工部的强度、疲劳特性的方法(例如，专利文献4、5)。但是，此方法使被成形加工的喇叭部的特性提高，而没有考虑松套法兰盘式喇叭管接头的密封性。

另一方面，作为以提高在法兰盘部施加应力时的耐破坏特性为目的的管接头，提出有将与喇叭部的法兰盘接触的接触面加工为锥状的松套法兰盘式喇叭管接头(例如，专利文献6)。但是，为了形成这样的具有锥状的喇叭部，需要在加工过程中变更工具，使喇叭部的弯缘加工的工序复杂。

专利文献1：日本特开2007-211811号公报

专利文献2：日本特开2000-55239号公报

专利文献3：日本注册实用新型第3136954号公报

专利文献4：日本特开2005-351383号公报

专利文献5：日本特开平5-329557号公报

专利文献6：日本实开平7-22193号公报

发明内容

本发明所要解决的问题是，在钢管的端部上设有喇叭部、在钢管的接合部将喇叭部的端面对接并通过松套法兰盘夹持的松套法兰盘式喇叭管接头中，改善被施加反复应力时的密封性。

本发明涉及一种松套法兰盘式喇叭管接头，其控制喇叭部的端面的角度与喇叭部角部的曲率半径之间的关系，来改善被施加反复应力时的密封性，本发明的宗旨如下。

本发明的松套法兰盘式喇叭管接头具有分别在2根钢管的端部形成的喇叭部，以及分别与上述喇叭部抵接的松套法兰盘，上述喇叭部的端面相对于上述钢管的中心轴的角度θ[°])，与上述喇叭部与上述钢管连结的连结部的角部曲率半径R[mm]满足如下算式(1)。

[数学式1]

87≤θ≤0.88Ln(R)+89.3…(1)

在本发明的松套法兰盘式喇叭管接头中，上述角度θ可以在91°以下。

还可以具有位于上述喇叭部之间的密封垫。可以是上述喇叭部隔着上述密封垫对接，上述喇叭部被上述松套法兰盘夹持。

本发明的利用松套法兰盘式喇叭管接头的钢管的接合方法包括：通过对钢管的端部进行弯缘加工，形成喇叭部的端面相对于上述钢管的中心轴的角度θ[°]、与喇叭部和上述钢管之间的连结部的角部曲率半径R[mm]满足如上的算式(1)的喇叭部的工序；将在2根上述钢管的端部分别形成的上述喇叭部对接的工序；以及利用2个松套法兰盘夹持对接的上述喇叭部，进行机械性连结的工序。

在本发明的利用松套法兰盘式喇叭管接头的钢管的接合方法中，上述角度θ可以在91°以下。

可以使上述喇叭部隔着密封垫对接。

发明效果

根据本发明，即使配管的接合部上的松套法兰盘式喇叭管接头被施加反复应力的情况下，也能够对配管内的输送流体进行密封，对产业做出的贡献非常显著。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的松套法兰盘式喇叭管接头的一例的示意图。

图2是反复弯曲负载试验的示意图。

图3是表示喇叭部端面角度θ与角部曲率半径R的图。

图4是表示角部的表面应力与喇叭部端面角度θ的关系的图。

图5是表示喇叭部端面角度θ与角部曲率半径R对密封性的影响的图。

图6是喇叭加工的示意图。

附图标记说明

1、1a、1b：钢管，2、2a、2b：喇叭部，3：密封垫，4a、4b：松套法兰盘，5：螺栓，6：螺母，7：锥部，8：钢管的中心轴，9：喇叭部的端面，10：4点弯曲试验机。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的优选的实施方式。此外，在本说明书以及附图中，对于实质上具有相同功能结构的结构要素，标注相同的附图标记，省略重复说明。

图1示意性地示出本发明的一实施方式的松套法兰盘式喇叭管接头的一部分。本实施方式的松套法兰盘式喇叭管接头具有：凸边状的喇叭部2a、2b，使2个钢管1a、1b的端部(接合部)扩开而形成；松套法兰盘4a、4b，与喇叭部2a、2b抵接。该松套法兰盘式喇叭管接头具有如下的结构，即，在2个钢管1a、1b的接合部，使喇叭部2a、2b隔着密封垫3对接，利用松套法兰盘4a、4b从两个喇叭部2a、2b的两侧夹持该对接的两个喇叭部2a、2b，通过螺栓5与螺母6机械性连结。

此外，在本申请的附图中，螺栓5以及螺母6的大小以及松套法兰盘4a、4b的厚度相对于钢管1a、1b比实际情况大，这是为了明确它们之间的位置关系。因此，附图中的各构件的尺寸比、钢管1a、1b的中心轴8的相对位置不一定与实际的喇叭管接头一致。

更详细地说，钢管1a、1b在各自的端部具有通过弯缘加工而形成的喇叭部2a、2b。喇叭部2a、2b是为了使2根钢管1a、1b相互接合而使钢管1a、1b的端部以向其外侧弯折的方式扩开成形加工(即喇叭加工)而成的部分。

在该喇叭部2a、2b上分别抵接松套法兰盘4a、4b。该松套法兰盘4a、4b(以下称为“法兰盘4a、4b”)是具有内径比钢管1a、1b的外径大的贯通孔的圆环状法兰盘。在该法兰盘4a、4b的贯通孔内插通钢管1a、1b，在非连结时，法兰盘4a、4b的内周面能够沿着钢管1a、1b的外周面滑动。此外，法兰盘4a、4b与喇叭部2a、2b抵接以不从钢管1a、1b的端部脱落。

根据需要，钢管1a、1b的喇叭部2a、2b的端面9(参照图3)彼此隔着密封垫3对接。密封垫3例如为具有与喇叭部2a、2b的外径同等程度的外径的圆环状的封固构件，具有对对接的2个喇叭部2a、2b的端面9之间进行密封的功能。上述法兰盘4a、4b从喇叭部2a、2b的对接部的两侧(与对接面相反的外侧的面即钢管1a、1b的外周面侧的面)夹持喇叭部2a、2b的对接部，利用螺栓5和螺母6将法兰盘4a、4b连结。

说明利用该松套法兰盘式喇叭管接头将钢管1a、1b接合的顺序。

首先，使密封垫3介于对置配置的钢管1a的喇叭部2a与钢管1b的喇叭部2b之间，在此状态下，使喇叭部2a的端面9与喇叭部2b的端面9对接。接着，通过法兰盘4a、4b从该对接的喇叭部2a、2b的外侧夹持该对接的喇叭部2a、2b。此后，通过插通在法兰盘4a、4b中的螺栓5和螺母6，机械性地连结固定法兰盘4a、4b。由此，从两侧按压喇叭部2a、2b。如上所述，能够利用该接头使2根钢管1a、1b良好地接合。此外，作为对法兰盘4a、4b进行固定的构件，不限于上述的螺栓5和螺母6的例子，只要是机械性地连结固定法兰盘4a、4b的方法，能够使用任意的固定构件。另外，在图1中，螺栓5和螺母6仅各例示了1个，但可以使用2个以上的多个螺栓5和螺母6。

另外，输送水、空气、蒸气等的配管使用STPG(JIS G 3454)或SGP(JIS G 3452)等配管材料，其外径为50A～350A，主流是100A左右的钢管。因此，发明人使用100A的SGP配管，评价被施加反复负荷下的松套法兰盘式喇叭管接头的密封性能。

如下所述那样评价被施加反复应力时的松套法兰盘式喇叭管接头的密封性。

首先，对2根100A(外径114.3mm，壁厚4.5mm)的SGP钢管1a、1b的端部进行喇叭加工，形成喇叭部2a、2b。使法兰盘4a、4b与该喇叭部2a、2b抵接，将两喇叭部2a、2b对接，通过螺栓5和螺母6连结法兰盘4a、4b，从而形成松套法兰盘式喇叭管接头。此外，密封垫3介于喇叭部2a、2b的端面9、9彼此的对接部之间。

接着，如图2的例示所示，以在钢管1a、1b的接合部施加弯曲应力的方式，将松套法兰盘式喇叭管接头设置在4点弯曲试验机10上。此后，向松套法兰盘式喇叭管接头中填充1MPa的空气，施加反复的弯曲负荷。一边施加反复的弯曲负荷一边测定气压，在气压急剧降低时判断为出现泄漏，结束试验。

弯曲负荷控制为使算式(2)以及(3)所表示的弯曲应力σ_B为50MPa。其中，算式中，M为弯曲力矩，Z为截面模量，W_B为弯曲负荷，L_A为短跨距(shot span)，L_B为长跨距(long span)。

[数学式2]

${\mathrm{\σ}}_B=\frac{M}{Z}...\left(2\right)$

$M=\frac{W_B}{4}(L_B-L_A)...\left(3\right)$

对呈现为内压急剧降低的接头进行调查发现，在喇叭部2与钢管1之间的角部(图3的R附近)产生裂缝，裂缝从钢管1的外表面贯通至内表面。因此，为了提高松套法兰盘式喇叭管接头的疲劳强度，研究降低在角部产生的应力的方法。此外，如图3所示，喇叭部2与钢管1之间的角部位于喇叭部2与钢管1之间的连结处的外表面侧，是指弯曲部的内侧部分，将该角部的曲率半径R称为角部曲率半径R。

本发明人的着眼点在于，图3所示的喇叭部2的端面9相对于钢管1的中心轴8的角度θ[°](以下称为“喇叭部端面角度θ”)、与喇叭部2和钢管1之间的角部曲率半径R[mm](以下称为“角部R”)之间的关系。通过有限元法解析(FEA：finite element approach)求出连结接头时在角部产生的表面应力与喇叭部端面角度θ之间的关系。

结果如图4所示。由此，能够推测出在喇叭部端面角度θ小于90°时，接头连结时的应力为压缩应力，即使在其后被施加拉伸应力时也是对疲劳强度有利的。另外，根据喇叭部端面角度θ与角部产生的表面应力之间的关系丧失线性的情况，还能够判断出从喇叭部端面角度θ超过91°时的附近开始出现屈服现象。

而且作为降低角部的应力的方法，考虑增大角部曲率半径R。因此，通过FEA，评价在被施加与50MPa相当的弯曲负载时在角部产生的应力振幅和平均应力。结果，可以推定出为了防止疲劳破坏，重要的是将喇叭部端面角度θ与角部曲率半径R之间的关系保持为如下的算式(1)所示的特定的关系。

[数学式3]

87≤θ≤0.88Ln(R)+89.3…(1)

因此，使用100A(外径114.3mm，壁厚4.5mm)的SGP钢管，制造改变了喇叭部端面角度θ和角部曲率半径R的松套法兰盘式喇叭管接头，利用图2所示的试验机10，进行与上述方法相同的弯曲疲劳试验。在该试验中，即使被施加了100万次的弯曲反复负荷而内压也不急剧降低的钢管为合格。

图5示出弯曲疲劳试验结果。图5的○表示没有产生泄漏，×表示产生泄漏。由此可知，对于满足算式(1)的接头，即使被施加100万次的反复负荷也不产生泄漏。另一方面，不满足算式(1)的接头被施加不到100万次的反复负荷就产生泄漏，检查的结果为裂缝从角部贯通。

另外，喇叭部端面角度θ越小角部曲率半径R的容许误差越大。但是，如果喇叭部端面角度θ过小，则在连结接头时在密封垫3的局部产生过大的面压力。尤其是在喇叭部端面角度θ小于87°时，存在密封垫破裂的情况，因此，θ的下限为87°以上。另一方面，若喇叭部端面角度θ超过91°，则存在在角部产生屈服的情况，因此优选上限为91°以下。

此外，本实施方式的在钢管1的端部形成喇叭部2的加工法不限于此，优选例如如图6所示那样使钢管1和锥部7(圆锥辊)旋转而相对地反复进行自转和公转并接触的方法。根据该方法，如果使锥部7的轴与钢管1的轴所成的角度逐渐变大，则能够使喇叭部端面角度θ逐渐变大，能够高精度地控制喇叭部端面角度θ。

实施例

接着，作为本发明的实施例说明对在各种钢管1中使喇叭部端面角度θ与角部曲率半径R变化直到出现泄漏为止的循环次数进行评价的实验。

在本实验中，首先，通过图6所示的方法对各种SGP钢管1的端部进行弯缘加工，形成喇叭部2。然后测定该喇叭部端面角度θ以及角部曲率半径R(图3)。将具有相同的喇叭部端面角度θ以及角部曲率半径R的2根钢管1a、1b作为1组来使用，使松套法兰盘4a、4b与喇叭部2a、2b抵接。然后，隔着密封垫3使喇叭部2a、2b的端面9、9彼此对接，并通过螺栓5和螺母6进行连结，从而制造出松套法兰盘式喇叭管接头。如表1、2所示，用于试验的SGP钢管是尺寸为65A～200A的锻焊钢管以及电阻焊钢管。

此外，在本实验中，作为密封垫3，使用尼奇阿斯公司(日文公司名称：ニチアス株式会社)制的“通用NA密封垫片TOMBO No.1995”。该密封垫3是无机纤维、芳香族聚酰胺纤维、无机填充剂以及作为粘合剂混合了耐油性合成橡胶的非石棉密封垫片。该密封垫3的尺寸如下。另外，相应的规格为JISF0602HJ、ASTM104F712100-B5E12M5。此外，该密封垫3是在本实验中使用的例子，本发明的密封垫3不限于该例子。

(i)尺寸65A的钢管：密封垫3的外径为124mm，内径为77mm，厚度为3mm

(ii)尺寸100A的钢管：密封垫3的外径为159mm，内径为115mm，厚度为3mm

(iii)尺寸200A的钢管：密封垫3的外径为270mm，内径为218mm，厚度为3mm

如图2所示，将通过松套法兰盘式喇叭管接头接合的钢管1a、1b配置在4点弯曲试验机10上，在内部封入1MPa的空气，对接头的接合部施加反复应力。此外，施加弯曲负荷以使根据以下的算式(2)以及(3)计算出的弯曲应力σ_B成为50MPa，接着，卸载弯曲负荷，将这样的作业作为1个循环，该循环反复进行最高100万次。将压力急剧降低时的循环数作为到泄漏为止的反复循环数。

[数学式4]

${\mathrm{\σ}}_B=\frac{M}{Z}...\left(2\right)$

$M=\frac{W_B}{4}(L_B-L_A)...\left(3\right)$

其中，算式中，M为弯曲力矩，Z为截面模量，W_B为弯曲负荷，L_A为短跨距，L_B为长跨距。该试验结果表示于表1、表2中。

在实施例1～19中，喇叭部端面角度θ与角部曲率半径R之间的关系适当(是满足上述算式(1)的关系)，即使是100万次的反复弯曲负载也不从接头出现泄漏。相对于此，在比较例1～18中，喇叭部端面角度θ大于利用与角部曲率半径R的关系通过算式(1)确定的上限值，在弯曲反复次数到达100万次以前产生泄漏。

对于比较例19～22，由于喇叭部端面角度θ小于87°，所以在连结接头时密封垫3破裂。另外，在喇叭部端面角度θ大于91°的比较例3、5、11、13、16、17、18中，在角部产生了屈服，但是在喇叭部端面角度θ为91°以下的情况下，没有观察到角部的屈服。

因此，根据该试实验结果，在喇叭部端面角度θ不满足与角部曲率半径R之间的关系式(1)的右边的情况下，可知不能够得到针对反复负荷的所希望的耐泄漏性能。另一方面，在喇叭部端面角度θ小于87°时，密封垫3被破坏，从而不优选。

相对于此，证明在喇叭部端面角度θ在87°以上且满足与角部曲率半径R之间的关系式(1)的右边的情况下，泄漏之前的反复循环数超过100万次，即使在接头被施加反复应力时也能够发挥良好的密封性，并且，不破坏密封垫3。而且，通过使喇叭部端面角度θ为91°以下，能够防止在组装接头时位于钢管1与喇叭部2的连结处的角部产生屈服。

以上，详细说明了本实施方式的松套法兰盘式喇叭管接头。根据本实施方式，通过将钢管1的喇叭部端面角度θ与角部曲率半径R调整为满足上述算式(1)的适当的值，能够提高针对反复负荷的耐泄漏性能。因此，例如，即使在船舶内配管中由于船舶的发动机振动、波动引起的振动，而接头被施加反复应力的情况下，也能够确保接头的密封性，防止配管内的输送流体泄漏。

另外，在本实施方式的松套法兰盘式喇叭管接头中，为了提高钢管1的接合部的密封性，在对喇叭部2进行弯缘加工时仅调整喇叭部端面角度θ即可。因此，不需要如上述专利文献6那样，为了形成具有锥状的喇叭部，而在成形加工过程中变更工具。因此，能够简化喇叭部2的弯缘加工的工序。

以上，参照附图详细说明了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于此例。只要是具有本发明所属技术领域的通常知识的人，就能够想到在权利要求书中记载的技术思想的范围内的各种变形例或修改例，这些当然也属于本发明的技术范围。

产业上的可利用性

本发明的松套法兰盘式喇叭管接头对反复负荷具有优良的耐泄漏性能，从而适用于船舶内配管。例如，即使在由于船舶的发动机振动或波动引起的振动而使接头被施加反复应力的情况下，也能够确保接头的密封性，防止配管内的输送流体泄漏。

Claims (4)

1.一种松套法兰盘式喇叭管接头，其特征在于，

具有在2根钢管的端部分别形成的喇叭部、和与上述喇叭部分别抵接的松套法兰盘，

上述喇叭部的端面相对于上述钢管的中心轴的角度θ[°]、与上述喇叭部和上述钢管之间的连结部的角部曲率半径R[mm]满足下述算式(1)：

[数学式1]

87≤θ≤0.88Ln(R)+89.3…(1)。

2.根据权利要求1所述的松套法兰盘式喇叭管接头，其特征在于，

上述角度θ为91°以下。

3.一种使用松套法兰盘式喇叭管接头的钢管的接合方法，其特征在于，包括：

通过对钢管的端部进行弯缘加工，形成喇叭部的端面相对于上述钢管的中心轴的角度θ[°]、与上述喇叭部和上述钢管之间的连结部的角部曲率半径R[mm]满足下述算式(1)的上述喇叭部的工序，

[数学式1]

87≤θ≤0.88Ln(R)+89.3…(1)；

将在2根上述钢管的端部分别形成的上述喇叭部对接的工序；以及

利用2个松套法兰盘夹持对接后的上述喇叭部，进行机械性连结的工序。

4.根据权利要求3所述的使用松套法兰盘式喇叭管接头的钢管的接合方法，其特征在于，

上述角度θ为91°以下。

Images