CN113950593A - 用于在塑料管线中使用的密封和约束密封圈 - Google Patents
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Abstract
示出了连接两段塑料管特别是分子定向的管的管连接系统和管接头。环形的弹性体主体安装在设置于容纳式管段的口部区域中的配合凹槽内。环形的主体由注射成型的弹性体材料制成并且连接有一系列弧形的夹持部段，这些夹持部段在其内表面上具有多个齿，这些齿被设计成与配合的插入式管段的外部表面接合，以在组装管接头之后约束插入式管的运动。夹持部段由间隙分开，该间隙在组装之前是打开的，但是在组装期间闭合。每个部段都还具有主动的止动特征部，以防止插入式管段相对于容纳式管段过度移动。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种用于塑料管接头的连接和密封系统，并且特别是用于由分子定向的塑料管形成的管接头，该连接和密封系统结合了约束特征以帮助保持接头的完整性。
背景技术
由包括聚烯烃(诸如聚乙烯、聚丙烯和PVC)在内的热塑性材料制成的管用于各种工业。例如，这种管通常用于城市用水和下水道设施。在管段之间形成接头时，套管或插入式管端插接容纳式管端或管座管端。塑料管的配合段的实际制造通常包括通过重新加热并成形为某个期望的轮廓来重新形成管的端部，以提供与下一个管的相对端配合的器件。在塑料管上形成管座(也称为扩口部)的技术已经非常成熟，并且在文献中有许多工艺和方法。环状的弹性体环或密封圈通常位于形成在热塑性管的管座端中的凹槽或“滚道”内，以帮助在管的相邻的段之间形成密封的管接头。当套管插接在管座内时，密封圈为接头提供主要的密封能力。
已经采用了各种类型的密封技术来确保管接头的密封完整性。重要的是，密封的密封圈在组装接头的过程中不会脱落，并且在现场应用中密封圈不会变得扭曲或以其他方式受损。同样重要的是在各种压力条件下，密封圈都不会被从管的凹槽中挤出。
已知现有技术的管密封圈密封系统，其中均质的橡胶密封圈通常是可变形的，从而允许其被手动地折曲或弯曲、接受相反的曲率以及插接在形成在容纳式扩口管端中的配合的内滚道内。位于容纳式扩口管端中的滚道是在管制造设备中通过使用可折叠的心轴扩口工具预先形成的。试图确保这种管接头的完整性的现有技术包括使用管密封圈，该管密封圈具有由可弹性屈服的密封材料(例如橡胶)制成的第一差异主体区域和由更刚性的材料(例如刚性塑料)制成的第二差异主体区域，第一差异主体区域结合到第二差异主体区域。其目的是密封圈的刚性主体区域将有助于使密封圈在管的凹槽内保持就位。解决该问题的其他方式包括使用均质的橡胶环作为密封圈主体，将加强带插接在设置于橡胶环内径上的配合凹槽中，或者在橡胶的密封圈主体内使用内部加强金属带或环。
除了主要涉及确保带密封圈的管接头的密封功能的上述考虑之外，经常还发现需要为管连接系统提供某种类型的“约束接头”。已知的用于在线性延伸的管中形成“约束的”密封接头的最常见的现有技术装置之一在行业中被称为“机械接头”或“MJ”。在球墨铸铁管系统或者混合铁和塑料的系统的情况下，铁管段的扩口端具有铸造在管外部上的凸缘部分。第二根铁管的套管端装配有可滑动的压盖配件和密封圈。压盖配件具有用于接收标准螺栓的多个孔。当套管轴向地插接到扩口部中时形成接头，并且压盖配件和凸缘部分用螺栓连接在一起，使得压盖配件的唇部压缩密封圈，从而密封两个管件。
虽然在用于球墨铸铁管的传统MJ设计中使用“内部”密封圈来作为密封接头，但是密封圈自身并不具有结合“约束”以确保管接头的更大完整性的特征。相反，如上所述，MJ约束系统使用由凸缘、螺栓、螺钉等构成的所描述的笨重的外部机械约束系统的某些版本。
由于与MJ型外部约束系统相关的缺点，本行业中的许多公司已经致力于为所考虑类型的管线开发各种形式的约束接头产品，包括“推进”式接头。以下参考文献仅旨在说明现有技术的一般状况：
于2007年10月23日授予琼斯等人的美国专利第7,284,310号(转让给本发明的受让人)示出了一种用于密封并约束塑料管接头的装置，其中约束和密封机构包括接收在配合凹槽内的周向壳体和相伴的密封环，其中配合凹槽设置在容纳式塑料管的扩口端中。周向壳体具有包括夹持环插接件的内部区域。在扩口操作期间，密封环和壳体整体地位于扩口管端内。
于2012年8月7日授予琼斯等人的美国专利第8,235,427号(转让给本发明的受让人)描述了一种用于与铸态球墨铸铁配件一起使用的密封和约束系统。在制造厂铸造配件之后，环形的主体安装在设置于铸态配件的口部区域中的配合凹槽内。环形主体由注射成型的弹性体材料制成，并带有一系列夹持部段，这些夹持部段在其内表面上具有齿，这些齿被设计成接合配合的插入式管的外表面。齿被定向成允许插入式管在组装期间相对于配件的端部开口在第一方向上运动，但是在配件接头已经组装之后阻止插入式管在相反的方向上运动。
于2016年7月26日授予谷轮公司的美国专利第9,400,071号示出了一种用于防止互连的管分离的密封圈，该密封圈包括可压缩主体，该可压缩主体具有部分地嵌入其中的多个多段式金属部段。多段式金属部段布置成两组或更多组，或者作为连续的环的部段。存在成组布置的多段的或铰接的防滑部段在大直径管上增加了合成部段密度。
于2016年7月26日授予洛佩斯-沙夫的美国专利第9,400,072号示出了一种用于密封第一塑料管和第二塑料管的接头的管密封件，该管密封件包括承载构件和附接到承载构件的密封构件。承载构件具有至少一个保持插接件，该保持插接件具有用于夹持第二管的内夹持部分和用于夹持第一管的外夹持部分。
上述讨论已经描述了行业为解决球墨铸铁和塑料管系统或包含铁和塑料两种成分的“混合”系统中的密封完整性以及接头约束问题而做出的努力。一般来说，现有技术对密封和约束塑料管的尝试针对传统的(一般的)聚氯乙烯(PVC)管材料。然而，近年来，采用分子定向的管，特别是所谓的“PVC-O”管的管系统已经变得越来越流行。名称“PVC-O”代表聚氯乙烯定向，有时简称为分子定向的管或“MOP”。在文献中已经充分证实，塑料的分子定向可以为所考虑类型的塑料管提供增强的机械性能。
定向是通过以下方式实现的：在适当的温度条件下拉拔或拉伸材料，从而在塑料材料中产生应变(即，偏离最初形成的尺寸)以使分子对准，然后在拉拔的状态下冷却材料以将分子锁定在该应变下。已经提出了许多方法，由此将该原理应用于塑料管，特别是为了通过周向和/或轴向力或者通过作用在管线上的外力来增强它们在内部压力下的强度。
例如，美国专利第4,428,900号示出了一种定向的热塑性聚合材料管，其具有通过使管状坯件膨胀制造而成的整体管座。通过热水循环将管状坯件加热到一定温度，在该温度下变形将使得聚合物分子定向。然后，通过施加内部压力，使坯件对抗模具径向向外膨胀。
美国专利第5,449,487号示出了一种用于定向塑料管的装置和方法。加热的管通过位于塑料挤出机下游的锥形加宽心轴而径向定向。
上述示例仅用于说明分子定向的管的制造中的常见技术现状。
在更独特的PVC-O管线的情况下，提供“约束的”接头以及适当密封的接头的问题更严峻，它们的总体目的是确保套管或插入式管端以及容纳式端或管座端不会由于内力或外力(例如存在于管线内部的液压力)，或外力(例如在管线方向上的弯曲、地震或地面运动等)而分离。在PVC-O的管接头的情况下问题更严峻，这是因为普遍使用的管座端通常设置有用于接收密封的密封圈的“AngerTM滚道”。由于PVC-O管的优点是它在具有与传统PVC管相同的强度的情况下可以更薄，所以AngerTM滚道的几何形状不同于设置在用于传统PVC管的更传统的“RieberTM”密封圈密封系统中的传统管座凹槽的几何形状。从提供牢固的密封接头的角度来看，所谓的三角形的或“30/60度”几何形状的AngerTM滚道已被证明难于传统PVC管接头。
因此，尽管在密封和约束塑料管接头方面已经描述了现有技术的进步，但是仍然需要改进的技术来制造约束接头并用约束接头连接塑料管，特别是分子定向的管，例如PVC-O管，这些技术要考虑这些类型的分子定向塑料材料的独特性。
需要这样的管连接系统，该管连接系统具有成本效益、易于制造、并且易于在现场或制造厂安装且在使用和操作中可靠。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种组合的密封和约束系统，以用于插接在环状凹槽内，该环状凹槽位于容纳式塑料管的端部开口附近的口部区域内，该组合的密封和约束系统能够将容纳式塑料管密封并约束到配合的具有内部表面和外部表面的插入式管。本发明的密封和约束系统对于管密封系统为包括由分子定向的管制成的部件的系统(例如PVC-O管系统)而言具有特别的适用性。
本发明的密封和约束系统包括由有弹性的弹性体材料制成的环状的密封圈主体，环状的密封圈主体具有内周区域和外周区域，环状的密封圈主体安装在设置于塑料管的容纳式段的口部区域中的环状凹槽内，使得外周区域与口部区域形成密封，并且内周区域形成用于与插入式管配合的密封表面。弧形且刚性的多个夹持部段围绕环状的密封圈主体的周向以预定间距从环状的密封圈主体向外延伸。夹持部段包括由一厚度间隔开的内表面和外表面并包括相对的端面，并且其中每个夹持部段的内表面都具有至少一排夹持齿，这些夹持齿能够与位于配合的插入式管的外部表面上的选定点接合并且向外部表面施加夹持力。
当密封圈处于松弛状态时，夹持部段由预定的间隙间隔开。间隙的尺寸被选择为在组装管接头时对组装的容易性与密封性能进行平衡。间隙在组装期间闭合，使得在相邻的夹持部段的端面之间形成至少一些接触。
优选地，围绕有弹性的弹性体材料的密封圈主体设置有以周向方式布置的六个或更多个夹持部段。在本发明的一个特别优选的形式中，围绕有弹性的弹性体材料的密封圈主体设置有以周向方式布置的十二个夹持部段，每个夹持部段都覆盖60度的弧度，使得在管接头的组装过程中，这些夹持部段与配合的插入式塑料管产生大约350.4度的接触。
在本发明的优选形式中，每个夹持部段的外表面都具有尖锐且周向的脊，脊形成在夹持部段的外表面上邻近后边缘的位置上，尖锐的脊被定位成在管接头的组装过程中与设置在PVC-O容纳式管段的口部区域中的30/60度的环状凹槽接触，以防止在管接头的组装过程中，在对插入式管进行初始夹持之后插入式管还相对于容纳式管滑动。此外，夹持部段中的每个夹持部段都设置有侧倒角区域，在夹持部段的每个侧表面上，侧倒角区域都连接到相对直的区域，侧倒角区域用于在将插入式管段安装在容纳式管段内以构成管接头的过程中减少相邻的夹持部段之间的冲突。夹持部段还设置有倒圆的后边缘并且在端面上进行倒圆，以有助于安装并避免粗暴的插接到密封的相互作用。
还示出了一种用于形成密封和约束管接头的方法，该方法包括以下步骤：
提供一种流体管道系统，流体管道系统包括至少一个PVC-O容纳式管段，PVC-O容纳式管段具有与PVC-O容纳式管段的端部开口邻近的口部区域，口部区域中具有30/60度的环状凹槽，PVC-O容纳式管段的端部开口的尺寸被设计成接收配合的插入式塑料管段，该插入式塑料管段具有内部表面和外部表面；
在制造管后的操作中，将密封和约束系统安装在设置于容纳式塑料管段的端部开口中的环状凹槽内，密封和约束系统具有至少部分地由有弹性的弹性体材料制成的环状的环形主体，环形主体具有内周区域和外周区域，环形主体安装在设置于容纳式管段配件的口部区域中的环状凹槽内，使得外周区域与配件的口部区域形成密封，并且内周区域形成用于与插入式管段配合的密封表面；
其中提供整体地形成的多个夹持部段，以用于向配合的插入式管施加夹持力，每个夹持部段都具有围绕环状的密封圈主体的周向以预定间距从环状的密封圈主体向外延伸的外平面，间距足以允许密封圈主体折曲，从而允许在制造后的操作时，密封和约束系统安装在管配件的口部区域中；
其中夹持部段各自都包括由一厚度间隔开的内表面、外表面并包括相对的端面，并且其中每个夹持部段的内表面都具有至少一排夹持齿，这些夹持齿能够与位于配合的插入式管的外部表面上的选定点接合并且向外部表面施加夹持力；并且
其中夹持部段由预定的间隙间隔开，间隙的尺寸被选择为在组装管接头时对组装的容易性与密封性能进行平衡，间隙在组装期间闭合，使得在相邻的夹持部段的端面之间形成至少一些接触。
在本发明的方法中使用的夹持部段优选还包括尖锐且周向的脊，该脊被用作用于夹持机构的主动止动部，并且夹持部段还包括先前描述的侧倒角区域以及倒圆的后面和端面。
该方法还包括以下步骤：此后，通过将配合的插入式管段推入到容纳式管段的口部区域中，将插入式管安装在容纳式塑料管段的口部区域的端部开口内，密封和约束系统接触配合的插入式管的外部表面，以密封并约束配合的插入式管并形成牢固的接头。
在随后的书面描述中，其他目的、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是本发明的密封和约束密封圈的一个版本的立体图，其中密封圈的橡胶密封部分连接有六个夹持部段。
图2是图1的密封和约束密封圈的侧视图。
图2A是图2中标为“2A”的区域的特写图。
图3是图1的密封圈的两个夹持部段的一部分的视图，其中夹持部段中的一个以截面示出。
图4是图3的夹持部段的局部视图。
图5是图1的密封圈的橡胶主体部分的一部分的局部视图，其中部分地以截面示出。
图6是图1的密封圈在塑料管接头中就位的组装图，其中为了便于说明，插入式管构件和容纳式管构件被部分地断开。
图7是图6的管接头的一段的侧截面图，以截面示出了密封和约束密封圈。
图8是图1的密封和约束密封圈的俯视图。
图9是图1的密封圈的多个夹持部段中的一个夹持部段的局部仰视图。
图10是使用本发明的密封和约束系统的塑料管接头的类似于图6的组装图，但是示出了密封圈的使用十二个夹持部段而不是六个夹持部段的替代形式。
图11是类似于图3的视图，但是示出了在本发明的该版本的密封圈中使用的三个夹持部段的部分。
图12是在图11所示的本发明的版本中使用的类型的夹持部段的一部分的截面图。
图13是图11的夹持部段的一部分的平面图，示出了夹持部段的尖锐边缘区域和齿。
图14是在图10和图11所示的版本的密封和约束密封圈中使用的多个夹持部段中的一个夹持部段的局部视图。
图15是图10和图11所示的本发明的版本的多个夹持部段中的一个夹持部段的底部的类似于图9的视图。
图16是管接头的侧视截面图，示出了在形成密封接头之前就位的图10和图11的密封圈。
具体实施方式
目前，塑料管系统通常用于多种任务，这些任务包括输送饮用水、废水、化学品、加热流体和冷却流体、食品、超纯液体、泥浆、气体、压缩空气和真空系统应用，用于地上应用和地下应用二者。至少从1950年代开始，塑料压力管系统在美国已用于可饮用的(饮用)水系统。当今世界上商业使用的塑料管的类型包括例如未增塑聚氯乙烯(称为PVC或PVC-U)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、后氯化聚氯乙烯(CPVC)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚丁烯(PB)以及最近所谓的“分子定向的塑料”。
如已经简要讨论的，在使用较新形式的塑料材料制造的塑料管中，本发明对于密封和约束系统而言具有特别的适用性。这些塑料管材料对于相关领域的技术人员而言是熟悉的并且例如为被称为“PVC分子定向的管”，有时为了简单起见，被称为“PVC-O管”或简称为“MOP”。制造这种管材料的技术是已知的。最终结果是分子定向的热塑性管材料由于塑料材料中的分子在某个方向上定向而通常在该方向上表现出增强的强度，由此塑料在该方向上抗拉强度增加而拉伸减小。这可以提供如下优点，例如当应用于管状制品时，在径向方向上进行定向以例如增加管的耐压性，或者在管的纵向方向上进行定向例如以增加管的抗拉强度，或者在两个方向上进行定向(双轴定向)。在用于城市用水和污水管的PVC-O管系统的情况下，分子定向使材料强度大约增加一倍，因此对于相同管道等级而言，只需要使用大约一半的壁厚就可以满足适用的规范。在下面的讨论中，术语“PVC-O”管将被理解为通常用于水和下水道行业的分子定向的管。
如已经简要讨论的，在更普通的PVC管线或更独特的PVC-O管道、或其它分子定向的管线的情况下，通常期望提供“约束的接头”以确保套管或插入式管端以及容纳式端或管座端不会由于内力或外力(例如管线内部存在的液压力)或外力(例如在管线的方向上的弯曲、地震或地面运动等)而分离。
过去在为PVC-O管提供有效且可行的接头约束系统方面存在问题，这部分是由于分子定向的管的材料自身特有的特性。该问题在PVC-O管接头的情况下更严峻，这是因为普遍使用的管座端通常设置有用于接收密封的密封圈的“Anger滚道TM”。换句话说，与普通的PVC管不同，PVC-O管通常设置有所谓的“30/60度”内周凹槽或滚道，有时也称为“Anger凹槽TM”，以用于接收密封的密封圈以形成管接头。然而，Anger凹槽TM为任何类型的接头约束提供的空间都非常有限。例如，在1983年4月5日授予西奇等人的美国专利第4,379,115号中以及在各种其他参考文献中描述了AngerTM管的制造方法。由于PVC-O管的优点是它在具有与传统PVC管相同的强度的情况下可以更薄，因此Anger滚道TM的几何形状与设置在用于传统PVC管的更传统的“Rieber”密封圈密封系统中的传统管座凹槽的几何形状不同。事实证明，从提供牢固的密封接头的角度来看，这种几何形状比传统PVC管接头更难，这是本发明要解决的主要问题。
因此，本发明旨在通过为塑料管，特别是分子定向的管(例如PVC-O管)提供更有效且高效的约束系统来改进塑料管中的接头。如上所述，本发明的约束系统特别适用于根据AngerTM方法制造的具有所谓的“三角形”的或“30/60度”的内周凹槽的分子定向的管。
要求保护的发明解决了如何在例如具有AngerTM滚道的PVC-O管中提供牢固地密封的推进式接头的问题，该接头可以在各种压力下进行密封，同时仍然能够手动安装(不同于在该行业中常用的在塑料管自身的制造过程中安装的“Rieber”工艺)。在某些情况下，本发明的密封和约束的密封圈也可以与其他管材料一起使用，其中这些材料具有与PVC-O类似的特性，例如PVC-U。约束机构与密封圈的密封部分一起安装在容纳式扩口管端的管座凹槽或滚道中。
在讨论本发明的优选密封和约束系统之前，将简要讨论用于制造PVC-O管的两种现有方法。这两种工艺都是以挤出直径较小、壁厚较大的一段长度的PVC-U管开始，然后将该管加热至玻璃化转变温度，并将其膨胀至所需的直径和壁厚。
下面是用于生产PVC-O管的“分批工艺”的示例：
挤出具有OD为所需产品的50％并且厚度为所需产品的200％的管。将管切成7.1m的段。
将一段长度的原始原料插接到闭合的模具中。该模具是约7.6米(25英尺)长的带夹套的筒，该筒包括栓接在其一端上的扩口形成部段。原始原料的每一端都被“挤压”并保持就位。
将管加热到接近其玻璃态转变温度。使用内部压力使管膨胀直到管与模具接触。
冷却模具。管在再次硬化后将经历热收缩，因此管与模具表面分离。
从模具中取出膨胀的管。
管被运送到切割站，在切割站处，“挤压的”端中的每端都被切下，以形成最终的6.1米(20英尺)的铺设长度。
以下是用于生产PVC-O管的“连续工艺”的示例：
挤出外径为所需OD的50％壁厚为所需成品的两倍的管或原始原料。
使原始原料经过“调节罐”，在调节罐处，原始原料被均匀加热到所需温度。
通过第二次牵引拉动原始原料使其穿过“膨胀区”，在膨胀区处，进一步加热原料使其超过PVC的Tg。在膨胀区中获得所需的尺寸。
使定向的管在喷雾罐中冷却。
使用专用的旋转锯将定向的管切割成一段长度。
将定向的管输送到扩口机并且形成扩口管座。
用于市售PVC-O管的扩口和密封圈选项可能是多种多样的，但常见的方式是形成带有内周凹槽的扩口端或管座端，以用于接收环状的密封的密封圈，其中周向凹槽是AngerTM“30/60度”凹槽或滚道。在下面的讨论中，简写“30/60”将用于表示AngerTM凹槽或制造工艺。
现在将示出本发明的密封和约束接头的示例，该密封和约束接头可以用于连接并密封塑料管，并且可以特别有利地用于先前描述的“30/60”分子定向的管。附图中的图1示出了本发明的密封和约束密封圈的优选版本，该密封和约束密封圈总体上用10表示。附图中的图6示出了在一段PVC-O管的口部区域中就位的密封圈10。
因此，参考图6，以四分之一截面的方式示出了一段PVC-O管的插入式管端或套管管端11，该插入式管端或套管管端插接到所考虑类型的PVC-O管的第二容纳式配合段的管座管端或扩口管端15的口部开口或端部开口13中。容纳式管段15具有外部表面17、内部表面19，并且具有内周凹部或内周凹槽21(有时称为“滚道”)，该内周凹部或内周凹槽形成在与其内部表面上的口部开口邻近的扩口管端中。在制造塑料管的过程中形成周向凹槽或滚道21。此后，将本发明的密封和约束密封圈10安装在滚道内。
塑料管或套管11的配合插入式段具有内部表面23和外部表面25。在图6所示的视图中，插入式管段11开始在容纳式管段15的口部开口内的插接步骤，以形成密封的管接头。
在附图中的图1中以立体图示出了密封和约束密封圈10。密封和约束元件10包括内环形弹性体主体12，该内环形弹性体主体连接有一系列硬化的弧形的夹持部段(例如图1中的部段14)。环形弹性体主体12具有内周区域29和外周区域31，外周区域布置成与容纳式管段的扩口端的内部表面形成密封(参见图7)，而内周区域形成用于与插入式管段的外部表面配合的密封表面。所示的特定密封元件具有向下延伸的密封唇部(图7中的33)，在管接头的组装过程中，该密封唇部与配合的插入式塑料管的外部表面接触，以形成压缩密封。
本发明的密封和约束系统的弹性部分12为管接头提供主要的密封能力。密封圈的该部分由接受反向曲率的材料制成，以允许容易地手动安装在预先形成的容纳式管扩口滚道中。它可以由管道制造商安装，或随后在现场组装时安装。密封圈的主要橡胶部分可以是例如丁苯橡胶(SBR)、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、腈橡胶等，并且此类密封主体的制造是相关领域的技术人员众所周知的。所用的橡胶的硬度将根据最终应用而变化，但通常具有约40至65的范围内的肖氏A硬度。
弹性体主体的唇部密封区域33通过V形的凹部34连接到外周区域31(图7)。构成外周区域31的外凸区域在形状上持续向下倾斜并终止于密封圈的鼻部区域36。弧形的夹持部段14围绕环状的密封圈主体的周向以预定间距从环状的密封圈主体12的鼻部区域36大致垂直地向外延伸。“大致垂直地向外延伸”是指这些部段大致沿着与管接头的中心线或中心轴线(大致在图7中的38处)大致平行的轴线延伸。在图1至图9所示的示例中，具有均匀地间隔开的六个夹持部段(诸如图1中的部段40)。
夹持部段14(在图3和图4中更详细地示出)通常由诸如铁或钢的金属制成，尽管在一些情况下，该部段可以由硬塑料或其他半刚性材料制成，其中待夹持的配合插入式管由例如PVC制成。夹持部段的数量将依据密封和夹持组件的直径而变化。例如，在环状的密封圈主体12具有八英寸直径的情况下，示出了围绕密封圈主体的周向向外延伸的六个分开的夹持部段14。从图1可以理解，在这种情况下，相邻部段之间的“间隙”非常小，夹持部段几乎在侧表面上彼此接触，并且在组装接头时，这些部段与配合的插入式管段形成接近360°的接触表面。如将进一步描述的，间隙的宽度可以变化。金属的夹持部段14之间的间隙“g”为组装提供了一定程度的灵活性，从而便于其安装在容纳式管段的口部区域内。
图4以立体图示出了多个夹持部段14中的一个夹持部段。从图4中可以理解，弧形的金属主体14具有多个窗口35，这些窗口连通其前边缘37和后边缘39。如将进一步解释的，窗口35构成锁定区域，该锁定区域与密封圈主体的有弹性的弹性体材料的配合部分协作，由此在本发明的一些版本中，在制造过程中，随着从密封圈主体通过窗口注射模制橡胶，夹持部段机械地固定到密封圈主体。
每个部段还具有内表面41和外表面43，内表面和外表面由从前边缘37向后边缘39渐缩的厚度分隔开，使得部段具有近似三角形的截面。每个部段还具有相对的端面45、47。如图3所示，每个部段的内表面具有至少一排夹持齿49，这些夹持齿能够与位于配合的插入式管的外部表面上的选定点接合，并且向配合的插入式管的外部表面施加夹持力。优选地，具有多排夹持齿。
在图3所示的版本的装置中，在夹持部段的内周表面上具有五排齿49。如图7所示，在组装时，齿相对于口部开口13的管水平轴线(如图7中的38所示)成锐角“α”。齿的形状和倾斜角允许配合的插入式管端接收在配件39的端部开口13内并在从左向右的方向上移动，如图7所示。然而，齿49的形状和倾斜角阻挡配合的插入式管11的相反的相对运动，从而使得一旦插入式管完全插接到容纳式管开口中，就在配合的插入式管11上施加约束力。
如简要提及的，在密封圈主体的制造过程中，夹持部段14可以整体形成为环状的密封圈主体12的前鼻部区域36的一部分。例如，密封圈主体可以注射成型有夹持部段，在注射成型操作期间，利用橡胶流入到窗口(图3中的35)中而将夹持部段整体地锁定到密封圈主体中。在一些情况下，弹性体橡胶主体12上可以形成有柔性的“钉状”延伸部51(参见图5)，该“钉状”延伸部可以卡扣配合在夹持部段的窗口内。夹持部段还可以省略窗口，并且可以化学地结合到密封圈主体12的弹性体橡胶部分。可替代地，在某些情况下，可以将夹持部段粘合或以其他方式贴附到弹性体的密封圈主体，使得夹持部段保持在图3所示的位置。
在一些情况下，在本发明的实践中使用的夹持部段14可以涂覆有低摩擦系数的合成涂层。例如，可以将顶部涂层施加到夹持部段，该顶部涂层是合成聚合物涂层。示例性合成聚合物涂层是例如热塑性聚合物材料，例如选自诸如聚氯乙烯、氟塑料聚合物、尼龙等材料的材料，这取决于管接头的最终应用。一类这样的涂层是氟塑料聚合物，有时称为“含氟弹性体”。这些材料是一类氢部分或全部被氟取代的石蜡烃聚合物。它们包括聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、全氟烷氧基树脂、聚氯三氟乙烯共聚物、乙烯-四氟乙烯共聚物、聚偏二氟乙烯和聚氟乙烯。氟塑料，尤其是全氟树脂，具有低摩擦系数，从而赋予它们独特的非粘性并且自润滑表面品质。
现在参考图1、图2、图2A和图6至图9，可以理解相邻的金属部段之间的“间隙”非常小，相邻的部段甚至接触或接近接触(参见图8)。将相邻的部段分隔开的“间隙”实际上是预定的距离，间隙的尺寸被选择为在组装管接头时对管接头的组装容易性与密封性能进行平衡。在任何情况下，该间隙在组装过程中通常会闭合，从而在相邻的夹持部段的端面之间形成至少一些接触。在图6的组装视图中，相邻的部段之间的间隙“g”随着夹持部段分开而打开，以允许插入式的套管管端进入容纳式管段的口部区域。在完全接合的位置中，随着夹持部段将它们的齿陷入插入式的套管管段，间隙再次闭合。当间隙闭合时，停止夹持部变紧以避免损坏套管。
主要参考图2A，相邻的夹持元件的侧表面可以设置有例如15°的侧倒角区域53，使得内侧端部区域55在组装期间接触以产生主动的夹持止动动作，同时倒角区域用于在安装期间减少部段冲突。参照图4，夹持部段还优选在如57、59所示的端部区域中具有倒圆边缘，以避免粗暴的插接到密封的相互作用问题，并且也易于手动组装。
图3、图4和图7示出了本发明的另一个重要特征。在每种情况下，夹持部段都设置有尖锐弧形脊或尖锐边缘区域，它们总体上用61表示。在30/60度的AngerTM滚道中，不存在自然的“止动部”来防止插入式管和容纳式管在最初夹持套管后继续进行的相对滑动。如在图7中可能最佳地观察到的，沿着部段的上周区域延伸的尖锐边缘区域61用于与容纳式管的壁咬合，并防止在夹持套管后进一步滑动。
尖锐边缘区域61(图7)连接到夹持部段的倾斜外表面区域63，该倾斜外表面区域形成大约30°角以与常见的AngerTM滚道轮廓对准。该倾斜区域63终止于呈大约20°角的倾斜外表面区域65，以促进楔入效应和夹持接合。
如上所述，夹持部段14的数量和相邻的部段之间的间隙的大小可以根据管直径和其他因素(包括管接头的所需性能特征和组装的相对容易性)而变化。因此，例如，对于图1至图9中所示的具有8英寸直径的密封圈，围绕密封圈的鼻部区域具有等距地间隔开的六个夹持部段。图10至图16示出了本发明的密封和约束系统的另一版本，其中具有十二个夹持部段。每个部段67设置成覆盖大约60°，使得当完全接合时，十二个部段一起设置成与插入式的套管管端接触大约350.4°。每个夹持部段(图11和图12至图14中的69)也都具有尖锐边缘区域以及倒圆区域71、73。还存在15°的侧倒角75。
在图10和图11所示的本发明的具有十二个部段的版本中，相邻的部段之间的间隙大于前一版本中的间隙。在本发明的该版本中，相邻的部段之间的间隙在大约2mm和10mm之间。优选地，在大约3mm到5mm之间。优选地，在相邻的夹持部段的端面之间没有橡胶材料，或者在此处碰巧挤出的任何橡胶本质上都是最少的。
图15是图10的组件中使用的十二个夹持部段中的一个夹持部段的局部视图。为了更容易安装，每个基本上30°的弧形部段的拐角区域71在每侧减少约0.4°以提供“修整配合”。
图12还更详细地示出了夹持部段的所谓的“楔形”部分。从图12中可以观察到的，该部段的尖端区域65相对于垂直绘制的轴线66形成20°角。该区域形成部段的“楔形部分”。部段的到顶部处的尖脊69的其余部分相对于轴线66形成30°角。
由于滚道角为30度，因此该“楔形”不匹配。相反，它偏离了10度。进而，它楔入套管与将滚道连接到容纳式扩口管端的唇部的弧形部之间。这方面的设计具有几个功能：
1.在20度时，这种“楔形”表面提供了比30度界面更好的机械优势。因此，它有助于通过楔入来促进接合。
2.在管接头的组装过程中，在部段向后滑动并打开以让套管进入时，它们遵循该20度的楔入角。这使得管座侧上的尖锐脊远离滚道中的30度斜面。该动作因此强制延迟脊69的接合。当套管被拉出时，楔形部再次跟随(大概是由于管变形)这个20度斜面，从而允许套管上的齿先接合。然后，管座侧上的脊69再次进行接触并防止或限制进一步的夹持动作，如已经描述的。
在图10所示的本发明的十二个部段版本的视图中，密封圈的弹性体密封区域被模制在夹持部段上，所示的部段处于“闭合”位置。夹持部段侧表面不接触。基于安装试验来调整相邻的夹持部段之间的间隙，以使间隙尽可能小，从而实现令人满意的组装容易性。间隙越小，则通常实现的密封和夹持性能就越好。图16示出了组件的在无应力状态下的部件。
在操作中，组合的密封的密封圈和夹持机构在制造后插接在容纳式管的口部开口内，因此需要主体保持一定程度的柔韧性以便于插接。在密封和约束密封圈就位时，通过将插入式管推入端部开口内来将配合的插入式管安装在容纳式管段的口部区域的端部开口内。在插接插入式管端时，密封和约束系统接触配合的插入式管的外表面，以便密封和约束配合的插入式管并形成牢固的管接头。
本发明具有若干优点。本发明的组合的密封和约束系统能够连接并密封具有“30/60”角滚道的分子定向的塑料管段。本发明的系统的设计相对简单且制造经济，并且不需要对现有的分子管制造工艺或部件进行任何大的改变。本发明可以用于在不需要外部机械约束部件的情况下连接配合的塑料管段，这些外部机械约束部件使组装变得复杂并且在使用中会受到腐蚀或劣化。在配合的插入式管是由PVC-O制成的情况下，设置在与管扩口部的口部区域接触的夹持部段上的主动止动区域允许更有效地控制夹持齿的最终夹持力。夹持部段的倒圆边缘和倒角侧区域在不会过度影响密封性能和夹持性能的情况下提供了额外的安装容易性。
Claims (22)
1.一种组合的密封和约束系统，用于插接在环状凹槽内，所述环状凹槽设置在位于分子定向的塑料管的容纳式段的端部开口附近的口部区域中，所述组合的密封和约束系统能够将管的所述容纳式段密封并约束到配合的具有内部表面和外部表面的插入式管，从而形成被密封并约束的管接头，所述密封和约束系统包括：
由有弹性的弹性体材料制成的环状的密封圈主体，环状的所述密封圈主体具有内周区域和外周区域，环状的所述密封圈主体安装在设置于塑料管的所述容纳式段的所述口部区域中的所述环状凹槽内，使得所述外周区域与所述口部区域形成密封，并且所述内周区域形成用于与所述插入式管配合的密封表面；
弧形且刚性的多个夹持部段，这些夹持部段围绕环状的所述密封圈主体的周向以预定间距从环状的所述密封圈主体向外延伸；
其中所述夹持部段包括由一厚度间隔开的内表面和外表面并包括相对的端面，并且其中每个夹持部段的内表面都具有至少一排夹持齿，这些夹持齿能够与位于配合的所述插入式管的所述外部表面上的选定点接合并且向所述外部表面施加夹持力；并且
其中所述夹持部段由预定的间隙间隔开，所述间隙的尺寸被选择为在组装所述管接头时对组装的容易性与密封性能进行平衡，所述间隙在组装期间闭合，使得在相邻的夹持部段的端面之间形成至少一些接触。
2.根据权利要求1所述的组合的密封和约束系统，其中相邻的夹持部段之间的间隙为大约2mm至大约10mm。
3.根据权利要求2所述的组合的密封和约束系统，其中在相邻的夹持部段的端面之间没有橡胶段。
4.根据权利要求3所述的组合的密封和约束系统，其中所述夹持部段中的每个夹持部段中都形成有多个开口，这些开口构成与所述密封圈主体的所述有弹性的弹性体材料的配合部分协作的锁定区域，由此所述夹持部段被机械地固定到所述密封圈主体。
5.根据权利要求1所述的组合的密封和约束系统，其中围绕有弹性的弹性体材料的所述密封圈主体设置有以周向方式布置的六个或更多个夹持部段。
6.根据权利要求5所述的组合的密封和约束系统，其中围绕有弹性的弹性体材料的所述密封圈主体设置有以周向方式布置的十二个夹持部段，每个夹持部段都覆盖60度的弧度，使得在所述管接头的组装过程中，这些夹持部段与配合的插入式塑料管产生大约350.4度的接触。
7.一种组合的密封和约束系统，用于插接在30/60度的环状凹槽内，所述30/60度的环状凹槽设置在位于PVC-O塑料管的容纳式段的端部开口附近的口部区域中，所述组合的密封和约束系统能够将管的所述容纳式段密封并约束到配合的具有内部表面和外部表面的插入式管，从而形成被密封和约束的管接头，所述密封和约束系统包括：
由有弹性的弹性体材料制成的环状的密封圈主体，环状的所述密封圈主体具有内周区域和外周区域，环状的所述密封圈主体安装在设置于塑料管的所述容纳式段的所述口部区域中的所述环状凹槽内，使得所述外周区域与所述口部区域形成密封，并且所述内周区域形成用于与所述插入式管配合的密封表面；
弧形且刚性的多个夹持部段，这些夹持部段围绕环状的所述密封圈主体的周向以预定间距从环状的所述密封圈主体向外延伸；
其中所述夹持部段包括由一厚度间隔开的内表面、外表面并包括前边缘、后边缘以及相对的端面，并且其中每个部段的内表面都具有至少一排夹持齿，这些夹持齿能够与配合的所述插入式管的所述外部表面上的选定点接合，并且在所述管接头的组装过程中，在将所述插入式管插接在容纳式管的口部开口中时向所述外部表面施加夹持力；并且
其中每个夹持部段的外表面都具有尖锐且周向的脊，所述脊形成在所述夹持部段的外表面上邻近所述后边缘的位置上，尖锐的所述脊被定位成在所述管接头的组装过程中与设置在PVC-O容纳式管段的所述口部区域中的所述30/60度的环状凹槽接触，以防止在所述管接头的组装过程中，在对所述插入式管进行初始夹持之后所述插入式管还相对于所述容纳式管滑动。
8.根据权利要求7所述的组合的密封和约束系统，其中所述夹持部段中的每个夹持部段都具有侧倒角区域，在所述夹持部段的每个侧表面上，所述侧倒角区域都连接到相对直的区域，所述侧倒角区域用于在将插入式管段安装在所述容纳式管段内以构成所述管接头的过程中减少相邻的夹持部段之间的冲突。
9.根据权利要求8所述的组合的密封和约束系统，其中所述夹持部段还具有倒圆的后边缘并且在所述端面上进行倒圆，以有助于安装并避免粗暴的插接到密封的相互作用。
10.根据权利要求7所述的组合的密封和约束系统，其中所述夹持部段由预定的间隙间隔开，所述间隙的尺寸被选择为在组装所述管接头时对组装的容易性与密封性能进行平衡，所述间隙在组装期间闭合，使得在相邻的夹持部段的所述端面之间形成至少一些接触。
11.根据权利要求10所述的组合的密封和约束系统，其中位于相邻的夹持部段之间的所述间隙为大约2mm至10mm。
12.根据权利要求11所述的组合的密封和约束系统，其中在相邻的夹持部段的所述端面之间没有橡胶段。
13.根据权利要求7所述的组合的密封和约束系统，其中多个所述夹持部段中的每个夹持部段中都形成有多个开口，这些开口构成与所述密封圈主体的所述有弹性的弹性体材料的配合部分协作的锁定区域，由此所述夹持部段被机械地固定到所述密封圈主体。
14.根据权利要求13所述的组合的密封和约束系统，其中所述密封圈主体是在制造期间围绕所述夹持部段注射成型的，使得所述密封圈主体的橡胶流入到所述夹持部段的所述锁定区域中，以在所述注射成型操作期间将所述夹持部段机械地固定到所述密封圈主体。
15.根据权利要求7所述的组合的密封和约束系统，其中所述夹持部段与所述密封圈主体的所述有弹性的弹性体材料化学地结合在一起。
16.根据权利要求7所述的组合的密封和约束系统，其中所述夹持部段由金属制成。
17.根据权利要求7所述的组合的密封和约束系统，其中围绕有弹性的弹性体材料的所述密封圈主体设置有以周向方式布置的六个或更多个夹持部段。
18.根据权利要求17所述的组合的密封和约束系统，其中围绕有弹性的弹性体材料的所述密封圈主体设置有以周向方式布置的十二个夹持部段，每个夹持部段都覆盖60度的弧度，使得在所述管接头的组装过程中，这些夹持部段与配合的插入式塑料管产生大约350.4度的接触。
19.根据权利要求7所述的组合的密封和约束系统，其中在从截面观察时，环状的所述密封圈主体包括前部鼻状区域和径向向内倾斜的密封表面，所述径向向内倾斜的密封表面形成唇部密封部以用于在插接期间接合配合的插入式管端。
20.一种形成管接头的方法，所述方法包括以下步骤：
提供一种流体管道系统，所述流体管道系统包括至少一个PVC-O容纳式管段，所述PVC-O容纳式管段具有与所述PVC-O容纳式管段的端部开口邻近的口部区域，所述口部区域中具有30/60度的环状凹槽，所述PVC-O容纳式管段的所述端部开口的尺寸被设计成接收配合的插入式塑料管段，所述插入式塑料管段具有内部表面和外部表面；
在制造管后的操作中，将密封和约束系统安装在设置于容纳式塑料管段的所述端部开口中的所述环状凹槽内，所述密封和约束系统具有至少部分地由有弹性的弹性体材料制成的环状的环形主体，所述环形主体具有内周区域和外周区域，所述环形主体安装在设置于容纳式管段配件的所述口部区域中的所述环状凹槽内，使得所述外周区域与配件的所述口部区域形成密封，并且所述内周区域形成用于与插入式管段配合的密封表面；
其中提供整体地形成的多个夹持部段，以用于向配合的插入式管施加夹持力，每个夹持部段都具有围绕环状的密封圈主体的周向以预定间距从环状的所述密封圈主体向外延伸的外平面，所述间距足以允许所述密封圈主体折曲，从而允许在制造后的操作时，所述密封和约束系统安装在管配件的所述口部区域中；
其中所述夹持部段各自都包括由一厚度间隔开的内表面、外表面并包括相对的端面，并且其中每个夹持部段的内表面都具有至少一排夹持齿，这些夹持齿能够与位于配合的所述插入式管的所述外部表面上的选定点接合并且向所述外部表面施加夹持力；并且
其中所述夹持部段由预定的间隙间隔开，所述间隙的尺寸被选择为在组装所述管接头时对组装的容易性与密封性能进行平衡，所述间隙在组装期间闭合，使得在相邻的夹持部段的所述端面之间形成至少一些接触。
21.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤：此后，通过将配合的插入式管段推入到所述容纳式塑料管段的口部区域中，将所述插入式管安装在所述容纳式塑料管段的口部区域的所述端部开口内，所述密封和约束系统接触配合的所述插入式管的所述外部表面，以密封并约束配合的所述插入式管并形成牢固的接头。
22.根据权利要求21所述的方法，其中每个夹持部段的外表面都具有尖锐且周向的脊，所述脊形成在所述夹持部段的外表面上邻近后边缘的位置上，尖锐的所述脊被定位成在所述管接头的组装过程中与设置在PVC-O容纳式管段的所述口部区域中的所述30/60度的环状凹槽接触以作为主动止动部，并且由此，在所述管接头的组装过程中，防止在对所述插入式管进行初始夹持之后所述插入式管还相对于所述容纳式管滑动。
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