CN1309987C - 一种用于连接管道的管道螺纹连接件 - Google Patents

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Abstract

一种用于连接管道(6)的管道螺纹连接件，管道(6)设置了带有连续变形的环形突起(8)的连接端，管道螺纹连接件包括连接短管(2)和螺纹连接部件(4)，螺纹连接部件可以螺纹连接所述连接短管(2)，以便以密封的方式固定到管道(6)上。连接短管(2)设置了带有用于轴向支承管道(6)端面(10)的径向台阶(18)的容纳口(16)；还设置了从台阶表面(18)向外扩展的内锥面(20)。管道(6)可以利用环形突起(8)并通过连接短管(2)和支撑环(22)之间的形状配合来夹紧。支撑环位于环形突起(8)和螺纹连接部件(4)之间的管道(6)上。支撑环(22)与环形突起(8)可形成对接表面(24)，该对接表面与管道螺纹连接件的轴线(12)之间的角度(α)大过45°很多，该角度(α)应处于至少80°到不超过100°的范围内，最好是大约90°。

Description

一种用于连接管道的管道螺纹连接件
技术领域
本发明涉及一种用于连接管道的管道螺纹连接件，管道设置了带有连续变形的环形突起的连接端，管道螺纹连接件包括连接短管和螺纹连接部件，螺纹连接部件可以螺纹连接所述连接短管，以便以密封的方式固定到管道上。连接短管设置了带有用于轴向支承管道端面的径向台阶的容纳口；还设置了从台阶表面向外扩展的内锥面。管道可以利用环形突起与连接短管和支撑环之间的形状配合来夹紧。支撑环位于环形突起和螺纹连接部件之间的管道上。
背景技术
可用于连接带有通过镦锻操作成形的环形突起的预制管道的各种结构的管道螺纹连接件已经是众知技术。可参考下面德国专利DE195 20 099 C2，DE 195 26 316 C2，和欧洲专利1 054 203 A1等文献中的示例。这些管道螺纹连接件的主要缺点在于，在装配过程中，由于螺纹连接部件(连接螺帽)进行螺纹连接，管道倾向于同时转动。在DE 195 11 063 C2和DD 240 059 A1公开的两种类似的管道螺纹连接件的情况下，管道通过在短管和连接螺帽之间的连续变形环形突起区域中两个锥面夹紧。在这种已知的结构的情况下，当管道承受动态载荷时倾向于在紧接环形突起后面的位置出现开裂。
欧洲专利EP 0 926 415 A1中公开了一种在引言中介绍的普通型管道螺纹连接件(管道连接件)。为了避免管道同时转动，在这种螺纹连接件中设置了支撑环或支撑套管，该套管位于连接螺帽和连续变形的环形突起之间的轴线平行管道部分上，并与环形突起形成对接表面，该对接表面与管道或螺纹连接件的轴线的角度在15°到40°之间。最好是径向对接表面，即在连接螺帽的方向上形成与轴线成直角的表面(见图1和3)。或者，还可在这个区域设置锥面对接，在连接螺帽的内锥面内，与管道轴线形成的角度在45°到70°之间(见图2)。还发现在这种情况下，这种已知的普通型管道连接没能够以非常高的可靠程度来解决管道在螺纹连接安装过程中同时转动的情况。此外，在夹紧环形突起的区域还存在相当高的开裂危险。
德国专利DE 197 42 917 C1介绍了另外的相似的管道螺纹连接件，该管道处于夹紧状态同样要通过环形突起，依靠单独支撑环的锥形表面。但是，在这种情况下，支撑环一方面支撑在连接螺帽上，另一方面支撑在连接短管的径向端面上，这样就产生了对夹紧的刚性限制。
发明内容
以上面提到的现有技术作为出发点，本发明的目的是提供一种管道螺纹连接件，这种螺纹连接件是价格适当的和安装可靠的，保证具有承受高度静态和动态载荷的能力，大体上消除了上述使管道同时转动的作用力。
根据本发明实现了这个目的，其实质就在于支撑环与管道的环形突起形成的对接表面与螺纹连接件轴线的角度大过45°很多，精确地讲，这个角度最好是90°。因此，支撑环和环形突起之间的对接表面最好位于径向，其结果是，在夹紧的过程中，在连续变形的环形突起区域内，任何径向分力有利地完全消除。与此相联系，本发明的另外的优点是，一方面，支撑环与螺纹连接部件形成锥面对接表面，其与螺纹连接部件的轴线的角度大约为45°；另一方面，管道的环形突起具有可插入连接短管内锥面的锥面部分，锥面部分具有与内锥面对应的锥角，最好是24°(标准条件下)。
本发明的提出是基于发现了，在上面介绍的现有技术的情况下，管道开裂的原因主要是夹紧准确地发生在连续变形的突起区域，并总是要经过锥面对接才发生。这就意味着来自外部的力矩和力没有衰减地作用在管道的紧靠环形突起后面的位置。所述管道部分受到变形导致的加工硬化，弹性很低。根据EP 0 926 415 A1中的图2，支撑环通过锥面对接与连接螺帽相互作用，管道确实在非变形区出现径向夹紧。但是，在非变形的管道部分的径向力至少部分被支撑环与管道突起的锥面对接没有好处地消除。这种结构在安装时不可能防止管道同时转动。
由于本发明的结构，管道在安装时同时转动可以可靠地避免。这是因为在短管内锥面上的表面压力大于环形突出和支撑环之间的径向对接表面区域上的力。当螺纹连接件夹紧时，支撑环与螺纹连接部件一起相对连接短管和管道转动，但这不是同时转动。在支撑环和螺纹连接部件之间的锥形对接表面区域，固定时进行螺纹连接使支撑环被径向压迫，这样就有利地造成管道被可靠、牢固、准确地夹紧在非变形的管道区。这个区域与环形突起间隔开，因此不会受到变形操作产生加工硬化。这样就避免了管道在高动态载荷的作用下开裂，其原因在于，在环形突起的径向对接表面的区域，由于根据本发明的优选对接表面最好是90°，反作用于螺纹连接部件的其它锥形对接表面上的径向力的径向分力被有意地消除了。最后，根据本发明，支撑环和环形突起之间的径向对接表面由于表面压力低而使得安装力减少。本发明的主要优点因此是可承受高动态载荷的能力，可以保证所谓的交变弯曲强度处于130到140N/mm2的范围内。
本发明的效果可以通过进一步优选的结构而得到很大地提高，这可通过在支撑环的环形圆周上的某个位置近似径向的开槽，使所述支撑环可以较小的力在径向上弹性地或塑性地变形，即将直径缩小。结果是，支撑环相对容易变形，变形用较小的力就可以实现，并可通过与螺纹连接部件的锥形对接接触来实现。使得要夹紧的管道非常均匀地在整个圆周面上和在径向方向上非常有效地得到夹紧。
本发明的其它的优点特征和得到的效果因而包含在下面的权利要求和下面的介绍中。
附图说明
下面将参考附图中显示的示例性的优选实施例对本发明进行更详细的说明。
图1是显示根据本发明的处于螺纹连接装配状态的管道螺纹连接件的第一实施例的轴向剖视图；
图2是显示图1中区域II处于装配前状态的单独视图；
图3是解释装配操作的力-距离曲线图；
图4显示了与图1近似的根据本发明的管道螺纹连接件的第二优选结构；
图5显示出图4中剖面V-V的支撑环的优选结构；和
图6是显示了图5中剖面IV-IV的支撑环的示意剖视图。
具体实施方式
首先从图1到图4可以看到，在各种情况下，根据本发明的管道螺纹连接件包括连接短管2和螺纹连接部件4，螺纹连接部件4通常设计成连接螺帽，可通过内螺纹连接到连接短管2的外螺纹。将要进行连接的金属管道6在连接端设置了径向向外突出的环形突起8，突起是通过顶锻和塑性变形形成的。中空的圆柱形管道端部14平行于螺纹连接件的轴线12(轴线平行)，并在环形突起8和管道6的连接端的端面10之间形成。连接短管2具有容纳口16(见图2)，其设有径向台阶表面18，可通过与端面10对接来轴向支承管道6。另外，在容纳口16内形成有内锥面20，所述内锥面从台阶表面18向外扩展。在台阶表面18和内锥面20之间在轴向上形成圆柱形内过渡表面21。所述过渡表面的内径近似对应于管道端部14的外径。
为了固定管道6，环形突起8可以通过与连接短管2和另外的支撑环22之间的形状配合来夹紧。支撑环22位于管道6上环形突起8和螺纹连接部件4之间。
根据本发明，支撑环22与环形突起8形成了对接表面24，对接表面与螺纹连接件的轴线12的角度α大过45°很多。在本文内，“大过很多”意味着角度α至少接近于80°，但是最大近似于100°。就是说应当至少约为90°。在优选的结构中，角度α等于90°，使对接表面24径向垂直于螺纹连接件的轴线12。对接表面24和轴线12之间角度α的测量是在环形突起8一侧进行的，即环形突起8位于界定角度α的长度(24，12)之内，而支撑环22位于其外(见图1，4，6)。
在另一侧，支撑环22与螺纹连接部件4最好形成锥面对接表面26，其在支撑环22的一侧与螺纹连接件的轴线12形成大约45°的角度β。螺纹连接部件4可方便地采用标准连接螺帽，其内锥角是45°(等于半角，全角为90°)，结果是与角度β对应。
在本发明的进一步的优选结构中，管道6的环形突起8从对接表面24设有朝端面10方向倾斜的锥面部分28，用于部分插入连接短管2的内锥面20。为此，锥面部分28具有相应的锥角，最好是＝24°(在连接短管2标准结构的情况下)。
弹性密封圈30有利地设置在锥面部分28和带有端面10的轴线平行管道端部14之间的过渡区。容纳此密封圈30的空间在管道端部14的圆柱形外表面和相邻的环形突起8的径向界面之间形成。如图2所示，当密封圈30在管道装配之前以非变形的方式位于管道6时具有最大的直径D1，此直径小于连接短管2的内锥面20的开口的最大直径D2。这产生了直径差异x，如图2所示。与之结合的突出的圆柱形管道端部14的长度加工成，在管道端部进入时，可使所述管道端部14在密封圈30进入内锥面20之前到达过渡到圆柱形过渡表面21的最小锥面直径区域(这方面见图2)。这样有利于在密封圈30接触到内锥面20之前径向对中。这种结构有利地防止了相对弹性的密封圈30在插入容纳口16和/或内锥面20期间出现损坏(在装配时对密封圈最好的保护)。密封圈30可具有近似矩形的截面(见图2)，在某些区，特别是在环形区，朝着管道端面10的方向，并突出超过由锥面28限定的虚拟的锥形包围表面，以便在图1所示的装配状态下，通过预压产生的密封动作与内锥面20对接。
从图1和4中的螺纹连接装配位置可以看出，根据本发明，管道6和支撑环22与连接短管2的径向端面32不接触。这意味着管道6只能通过端面10对接台阶表面18以及通过锥面部分28与内锥面20配合来与短管2连接。环形突起8与连接短管端面32没有任何接触，因此，只能在内锥面20和支撑环22之间轴向夹紧。
在这种情况下，管道6的连接端设计成，特别在标准的情况下，可与连接短管2配合。在管道装配时可通过拉紧螺纹连接件，首先使锥面部分28与短管内锥面20对接，然后在锥面的引导作用下，管道端面10精确地顺着连接短管2的弹性径向扩展面，逐渐地与连接短管2上的径向台阶表面18对接。图3通过力-距离图表显示了这个螺纹连接的操作。首先，螺纹连接部件4以很小的力，即手动，螺纹连接到连接短管2，直到到达第一位置S1，锥面部分28与短管内锥面20对接，这导致了力首次出现很大的增加。这是因为连接短管2随着螺纹连接的进行其径向出现弹性扩展，直到到达第二位置S2，端面10与台阶表面18对接。当螺纹连接的拉紧继续进行时，产生弹性轴向顶压，造成更陡的力的特征曲线。这种情况发生在图1所示的夹紧长度L的区域内。根据本发明，如上面已经解释的那样，这是因为已经去除通过与短管端面32对接产生对拉紧进一步刚性限制。根据图3，在所希望的螺纹连接端位置S3，开始进入塑性变形区(S4)。
对于环形突起8，则需使用适当的工具通过特殊的顶缎操作来形成，在环形突起8和相邻的轴线平行管道部分之间形成圆角过渡也是很有利的。这种过渡在图1和2中的都用R来指示。通过很小的变形(即很小的径向扩展)进行成形顶压操作的另一优点是，即使在环形突起8的区域，管道6仍大体上保持圆柱形的内表面，具有与原来管径近似的内直径D。如图所示，在这个区域最多产生轻微的内凹曲面槽形状34。这样就减少了静区(dead spaces)，静区可能在管道内部产生湍流。
图4到6显示了本发明的优选的结构，根据这些结构，在支撑环22圆周面上的一个位置开有通槽36，在此图中示例性地沿着径向开槽。槽36可使支撑环2在很小力的作用下就可相对其直径进行弹性也可能是塑性变形，即尺寸减小了(缩小)。但是，当然也可能使尺寸增加(扩宽)。支撑环缩小的能力使支撑环可通过锥形对接表面26产生沿圆周的非常均匀地径向力Frad(见图4)，以便有效地沿径向夹紧管道。
最后，将本发明的主要优点总结如下：
长夹紧距离L或大杠杆臂L可吸收交变弯曲载荷；
管道的变形量小和/或加工硬化的程度低；进而减少了开裂的危险；以及只需很小的变形力来顶缎环形突起；
采用如板压簧等弹簧弹性轴向预压夹紧连接端，以便平衡沉淀物的出现；
在连接短管的台阶表面18的方向上在管道端部10的区域进行了主要的金属密封；还设有针对准静态载荷的第二柔性密封，由弹性密封圈30形成；
由于弹性密封的特别设置，防止了进入内锥面时出现损坏；
可靠地避免了管道在装配时出现同时转动，由于内锥面20上的表面压力大于支撑环22和管道6的环形突起8之间的对接表面24区域上的力，其结果，当螺纹连接拉紧时，管道6以可转动固定的方式连接到连接短管2。同时支撑环22在管道6上与螺纹连接部件4一起转动，直到与环形突起8牢固地夹紧在一起。
因为在锥面区存在高表面压力，能够可靠和没有间隙地端部封闭密封圈30，以防止即使在未完成装配的情况下也可能出现的间隙挤出。
根据本发明，由于在支撑环22和环形突起8或螺纹连接部件4之间分别存在角度α和β，管道牢固地夹紧在其未变形的无加工硬化的管道区域，这样就避免了在动态载荷的作用下出现开裂(特定的α等于90°意味着没有径向分力，径向分力能够反作用于在螺纹连接部件的对接表面26区域内的径向力)。
由于对接表面24的区域内存在低表面压力，减少了必要的安装力。
由于圆整结构R减少了刻槽影响，因此在动态载荷作用时可防止开裂。由于截面没有缩小，减少了管道内的静区。这导致形成平稳流动区并具有很小的压力损失。
本发明不受到图示和介绍的示例性实施例的限制，包括所有的不脱离本发明范围的等效结构。另外，本发明不受到权利要求1所述特征组合的限制，包括所公开的全部特征的希望具有的组合。这意味着基本上权利要求1的各个特征都可以省却和/或被在本申请的某些地方的至少一个特征代替。就这点来说，权利要求1应当被认为仅仅是本发明的首次实验性的文字表述。

Claims (9)

1.一种用于连接管道的管道螺纹连接件，所述管道(6)设置了带有连续变形的环形突起(8)的连接端，所述管道螺纹连接件包括连接短管(2)和螺纹连接部件(4)，所述螺纹连接部件可以螺纹连接所述连接短管(2)，以便以密封的方式固定到所述管道(6)上，所述连接短管(2)设置了带有用于轴向支承所述管道(6)端面(10)的径向台阶(18)的容纳口(16)；还设置了从所述台阶表面(18)向外扩展的内锥面(20)；所述管道(6)可以利用所述环形突起(8)与所述连接短管(2)和所述支撑环(22)之间的形状配合来夹紧；所述支撑环位于所述环形突起(8)和所述螺纹连接部件(4)之间的所述管道(6)上，所述支撑环(22)与所述螺纹连接部件(4)一起形成锥形对接表面(26)，所述锥形对接表面相对所述管道螺纹连接件轴线(12)的角度(β)为45°，使得所述管道在这个区域径向夹紧，
其特征在于：
所述支撑环(22)与所述环形突起(8)一起形成对接表面(24)，所述对接表面相对所述管道螺纹连接件的轴线(12)的角度(α)大于45°，因此，当所述管道螺纹连接件拉紧时，该区域基本上没有径向分力；使得支撑环(22)仅在锥形对接表面(26)和螺纹连接件(4)的区域中被径向地压迫，从而管道仅被径向准确地夹紧在与环形突起间隔开的非变形的管道区中，所述支撑环(22)的圆周面上开有槽(36)，可使所述支撑环径向变形。
2.根据权利要求1所述的管道螺纹连接件，其特征在于，所述支撑环(22)与所述环形突起(8)之间的所述对接表面(24)的所述角度(α)处于至少80°到不超过100°的范围内。
3.根据权利要求1所述的管道螺纹连接件，其特征在于，所述管道(6)的所述环形突起(8)具有可插入所述连接短管(2)内锥面部分(20)的锥面部分(28)，所述锥面部分(28)具有与所述内锥面(20)对应的锥角()为24°。
4.根据权利要求3所述的管道螺纹连接件，其特征在于，弹性密封圈(30)设置在所述锥面部分(28)和轴线平行的管道端部(14)之间的过渡区，所述管道端部具有端面(10)。
5.根据权利要求4所述的管道螺纹连接件，其特征在于，所述管道螺纹连接件以未变形方式位于所述管道的轴线平行的管道(6)端部(14)上时，所述密封圈(30)具有最大直径(D1)，所述直径小于所述连接短管(2)的所述内锥面(20)的开口处的最大直径(D2)。
6.根据权利要求5所述的管道螺纹连接件，其特征在于，所述管道(6)的连接端部设计成可与所述连接短管(2)配合，所述管道安装时，可通过旋紧所述管道螺纹连接件，首先使所述锥面部分(28)与所述内锥面部分(20)对接，然后所述管道端面(10)与所述连接短端部(2)中的径向台阶表面(18)对接。
7.根据权利要求6所述的管道螺纹连接件，其特征在于，在螺纹连接的安装状态下，所述管道(6)和所述支撑环(22)与所述连接短管(2)的轴向端面(32)未接触。
8.根据权利要求1或7所述的管道螺纹连接件，其特征在于，圆整过渡(R)在所述环形突起(8)和相邻的轴线平行的管道区域之间形成。
9.根据权利要求8所述的管道螺纹连接件，其特征在于，在所述环形突起(8)的区域，所述管道(6)通过成形顶压操作只出现少量塑性变形，即使在所述环形突起(8)的区域，可使所述管道(6)仍大体上保持圆柱形内表面，最多有轻微的内凹曲面槽形状的变形(34)。
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