CN1916472A - 带有可分开的管道夹紧装置的管道配装件 - Google Patents

Abstract

一种用于管端的管道配装件，其有一个有阴螺纹的部件，该部件与一个有阳螺纹的部件合作配合。内凹部件包括一个夹紧管道的装置，其形式为一个夹紧环或者管箍，一个易碎的幅面部分把它装到内凹部件上。在部分地向上拉之后，内凹部件与在由阳螺纹的部件上的一个凸轮形表面接合，并且断开或者与有阴螺纹的部件分开，变成一个分开的部件，使得配装件的功能像一个单一管箍的管道配装件。另外的特点包括在凸轮形表面上的很陡的凸轮角度，使管箍用咬住类型的作用夹紧管端，并且在凸轮形表面与被分开的管箍的前端之间形成主要密封。把管箍前端可选地把包括初始时为一体的夹紧管道的装置的整个有阴螺纹的部件硬化，比管端的材料硬至少大约3.3倍。

Description

带有可分开的管道夹紧装置的管道配装件

相关申请

本申请要求在2001年2月6日为TUBE FITTING WITH INTEGRALNUT AND FERRULE提交的美国临时专利申请序列号60/266735和在2002年10月17日为TUBE FITTING提交的序列号60/329943的权益，这两个申请的全部内容完全结合在此作为参考。

技术领域

本发明总体上涉及管道配装件的技术。更具体地说，本发明针对一种无喇叭口的管道配装件，它使用一种管道夹紧件，在初始时把该夹紧件连接到要连接起来的件中的一个件上，在组装到管端上的过程中将该夹紧件与要连接起来的件分开。

背景技术

管道配装件被用来将一个管端连接到另一个件上，不管那个另一个件是另一个管端比如贯通的T形配装件和肘形配装件，还是需要与该管端处于流体连通状态的一个装置，比如一个阀门。同样，在这里使用的术语“管”和“管道”这个词希望包括但不限于管线。任何管道配装件必须在管道配装件设计成要满足的压力，温度和震动的标准内实现两个重要的功能。第一，管道配装件必须夹紧管端，从而防止失去密封或者管道爆裂。第二，管道配装件必须保持主要密封件不会泄漏。在几十年期间内，管道配装件实现这两个功能的要求是管道配装件设计的推动因素。多个因素影响管道配装件的设计，以便满足所要求的夹紧和密封的性能标准，但是，对于任何管道配装件设计的基础将是：1)配装件必须与它一起工作的管道的特点，这包括材料，外径，以及壁厚；和2)要使用该配装件的应用对管道配装件要求的管道夹紧和密封的性能水平。目标是设计出一种管道配装件，它可以在由设计在市场中的竞争而对产品提出的任何成本限制以内可靠地实现所要求的管道夹紧和密封功能。

无喇叭口的管道配装件一般是指一种类型的管道配装件，在这种配装件中管端基本上保持为管状，与带喇叭口的管道配装件相反，在那种配装件中将管端做成向外的喇叭口，套在一个配装部件上。通常在与塑料管道和塑料管道配装件一起使用中遇到带喇叭口的管端。本发明不主要针对塑料管道和管道配装件，因为这样的配装件提出的挑战有明显的不同，并且这样的配装件的材料性质将在夹紧管道和提供适当的密封两方面影响配装件的能力。然而，本发明的某些方面可以用于非金属的管道配装件，特别是用于可分开的管道夹紧件方面。

想要与例如不锈钢和其它金属的管道一起使用的管道配装件对于设计提出了特殊的挑战，以便实现管道夹紧和密封的功能。这种挑战是由于不锈钢的性质造成的，作为典型的商业上可供使用的管线材料，不锈钢是一种非常硬的材料，硬度常常高达200Vickers量级。不锈钢和其它金属管线也用于高压应用，在这些应用中，管壁相当厚(在工艺上被称为“厚管壁”管线)。厚壁管线很难被夹紧，这是因为它不仅硬，而且它也不是特别容易延展。延展性差使得它更难以使管道产生塑性变形，从而实现所要求的管道夹紧。

管道配装件典型地包括一个组件，它包括：1)一个管道夹紧装置，其形式常常是一个或多个管箍，或者是一个夹紧环类型的结构，以及2)一个向上拉的机构，用来将夹紧管道的装置装在一个管端上，从而夹紧管端，并提供密封，防止泄漏。“向上拉”这个词简单地指将管道配装件组件紧固的操作，从而完成将配装件组装到管端上的操作，实现所要求的管道夹紧和密封。

常常首先在“手指拧紧”的条件下组装管道配装件，随后使用一个扳手或其它适当的工具将配装件紧固到或者“向上拉”到它最终的初始和完全的组装状态。最通常使用的向上拉的机构是有阴螺纹的螺母部件和有阳螺纹的本体部件的螺纹连接，当用螺纹将它们紧固在一起时，这两个部件作用在夹紧管道的装置上。本体包括一个容纳管端的孔，在该孔的外部有一个带角度的凸轮形表面。最通常使用的凸轮形表面是截头圆锥形表面，“凸轮角度”这个词指的是凸轮形表面相对于管端纵向轴线或者外表面的锥形角度。沿着轴向将管端插进本体孔中，并越过截头圆锥的凸轮形表面伸展。把夹紧装置滑动到管端上，并部分地用螺纹将螺母拧到本体上，达到手指拧紧的状态，使得夹紧管道的装置在轴向上固定在凸轮形表面与螺母之间。螺母典型地包括一个向里的肩部，当用螺纹将螺母与本体部件紧固在一起时，它驱动夹紧管道的装置与本体上的带角度的凸轮形表面接合。带角度的凸轮形表面将一个径向的压缩作用力施加到夹紧管道的装置上，迫使夹紧管道的装置实现与管端的夹紧接合。夹紧管道的装置典型地形成对于管道的外表面的密封，并且也抵靠带角度的凸轮形表面形成密封。

今天在不锈钢管道配装件中最通常使用的夹紧管道的装置(最通常使用的是管箍类型的管道配装件)通过使夹紧管道的装置的前部或鼻部咬进管端的外表面中实现管道夹紧。在这里使用的“咬住”这个词指的是夹紧管道的装置进入管端的外表面的塑性变形，从而用几乎是切割类型的作用使管道塑性变形并刻上齿痕，在夹紧管道的装置的前端上产生一个大致径向的肩部或壁。因此，这一“咬住”用作一个强烈的结构特征，防止管道在高压下爆裂，特别是对于较大直径的管道，比如1/2英寸或更大的直径。

多年以来，已经有了大量的管道配装件设计，不依赖“咬住”类型的作用，而仅只主要包括对着管道外表面的管道夹紧装置，某些有将刻痕刻进管道中的效果，而不产生牙(a bite)。这些设计不适用于高压不锈钢管道配装件。在商业上最通常可供使用的不锈钢管道配装件特别是用于高压应用的管道配装件从历史上看为两种根本不同的夹紧管道装置的设计：单一管箍的管道配装件和两个管箍的管道配装件。

单一管箍的管道配装件如它的名称所表示的那样使用单一的管箍实现管道夹紧和密封的功能。然而，人们越来越认识到：当设计能够满足所要求的管道夹紧和密封性能标准的管道配装件时，这两个功能相互不均衡。这是因为确保管道配装件实现适当的管道夹紧所需要的设计标准常常与单一管箍也能够提供有效的密封的能力有矛盾。结果，虽然先有技术的单一管箍配装件在某些情况下能够实现适当的管道夹紧，但是，这种夹紧管道的性能以密封不太有效为代价。这种情况的一种结果是已经设计出某些单一管箍的管道配装件带有附加的元件和技术以便实现适当的密封。在想要对着气体特别是高压气体实现密封的单一管箍配装件中特别要提到的是密封性能达不到最佳。因此，单一管箍的管道配装件通常更适合于低压液体的应用，比如液压系统，然而，即使在这样的低压应用中，单一管箍的密封性能依然比所要求的差。

对于单一管箍的管道配装件来说，咬住作用常常与被设计成在径向上向外的方向上离开单一管箍本体的中心区域或中间部分的管壁在它的前后端之间弯曲的单一管箍相关联。对着管箍的后端推的螺母抵靠本体的带角度的凸轮形表面驱动管箍的前端。弯曲作用帮助将单一管箍的前端引导进入管端中。弯曲作用也用来使管箍的后端类似地与管端接合，并夹紧管端。通常靠在螺母肩部上设置一个带角度的驱动表面实现上述操作，该螺母的肩部与单一管箍的后端接合，从而在径向上压管箍的后端，形成在管端上的夹紧作用。在某些单一管箍的设计中，明显地想使管箍的后端咬进管端中。有时与单一管箍一起使用这种后端管道夹紧，为的是改进在震动条件下配装件的性能，这是因为希望后端夹紧可以使沿管道向下的震动不会影响前端管道的咬住。

使用后端管道夹紧实际上与在单一管箍的前端夹紧管端的努力冲突。理想上，单一管箍应该完全处于在螺母与本体的凸轮形表面之间的三维压缩状态。实现后端夹紧实际上对于单一管箍提供一个反方向作用的张力，它与用来实现管道夹紧的前端压缩作用冲突。此外，向外弯曲的作用会与在单一管箍的前端夹紧管道的努力冲突，这是因为为了能有向外弯曲的作用，单一管箍需要在邻近夹紧管道的“牙”的部位减轻重量。向外弯曲的作用在径向上将管箍的重心移到管箍本体，离开管端。结果，向外弯曲的单一管箍配装件可能会更容易受到管箍塌陷影响，失去密封，并且可能在较高的压力下出现管道爆裂。

为了在不锈钢管道上获得适当的管道夹紧，单一管箍的不锈钢管道配装件在历史上已经使用了10度到20度之间的相当小的凸轮角度。这个范围的角度在这里被称为“小角度”，只是作为一个方便的用词，表示角度相当小。在单一管箍的配装件中已经使用了小凸轮角度，以便获得机械上的好处，这是因为小角度提供一个在轴向上细长的凸轮形表面，在该表面上滑动并在径向上压缩单一管箍的前端，咬进管端的外表面。刚硬的不锈钢管线材料使得这种细长的滑动的凸轮作用是必须的，以便能够使单一管箍产生对于管道夹紧来说适当的咬住。多年以来，已经将单一管箍整体硬化或者表面硬化，从而使它明显地比不锈钢管线更硬，然而，至今在这样的单一管箍配装件中仍然使用小凸轮角度，由管箍沿着凸轮形表面的滑动获得机械上的好处产生“咬住”，从而确保适当的管道夹紧。商业上可供使用的单一管箍管道配装件的一个示例是由Parker-Hannifin公司可以获得的CPI配装件，它采用了表面硬化管箍和大约20度的小凸轮角度。另一个示例是由Ermeto GmbH公司可以获得的EO配装件，它采用了整体硬化的单一管箍和12度的凸轮角度。

在某些单一管箍设计中，已经试用了非锥形的凸轮形表面，企图使将管箍压靠在管端的外表面上变得简单，从而不产生牙。然而在这些情况下的结果是夹紧程度差或者仅只有低压力的配装件，不能很好适用于不锈钢配装件。

然而，用单一管箍实现适当的管道夹紧所需要的小凸轮角度和细长的凸轮形表面和轴向上的移动牺牲了单一管箍获得密封功能的能力，特别是牺牲了在极端环境下和用于密封气体的密封能力。这是因为单一管箍的前端用来抵靠轴向上细长的凸轮形表面实现密封。在径向上向外弯曲的作用使得单一管箍的前端的外表面较大的一部分与正在对着其驱动管箍的凸轮形表面接触。结果必然是在单一管箍的外表面与凸轮形表面之间有较大的密封表面积。这个被增大的密封面积造成在单一管箍与凸轮形表面之间密封作用力有不想要的分布，并且也产生较大面积的表面缺陷，会出现泄漏。这特别是金属对金属密封的问题(与非金属对非金属的密封相反；例如，在塑料配装件中通常希望提供增大的密封接触面积，这是因为延展性较高的塑性材料可以较好地形成两个表面之间的密封)。

因为在历史上单一管箍配装件已经使用小凸轮角度来实现适当的管道夹紧，达不到最佳的密封性能或者作为对于配装件的应用的一个被承认的限制被容忍，或者已经设计出附加的结构加到单一管箍配装件中，大多数情况下包括带有单一管箍的一个或多个弹性密封件，或者单一管箍与弹性密封件合作配合，实现与不锈钢管线的较好密封。例如见美国专利6073976和5351998。美国专利6073976公开了单一“管箍”(在该专利中被称为“切割环”)配装件的一个典型示例，该专利企图用添加的弹性密封件解决“密封”的问题。5351998专利描述了通过将管道夹紧与密封功能分成两个分开的部件所获得的好处。

一种商业上可以得到的并且非常成功的用于管线的两管箍配装件在商业上可以由Swagelok Company，Solon，Ohio获得，在美国专利6131963和3103373中描述了这种配装件，这两个专利共同由本发明的受让人所有，它们的整个内容全部结合在这里作为参考。在这种两管箍配装件中，通过使用两个管箍也分开地实现了管道夹紧和密封的功能。朝前的管箍或者前管箍提供即使对于气体也是极好的密封，而后管箍实现极好的管道夹紧。

前管箍通过抵靠小凸轮形表面角度比如20度加工成凸轮形实现极好的密封。这是因为前管箍不需要过多地在凸轮形表面上滑动，以便实现管道夹紧功能。同样，前管箍没有进行表面硬化，这是因为前管箍的主要目的是密封，不用咬进管端中。因此，相对较“软”的前管箍实现了极好的密封，特别是对于气体实现极好的密封，即使本体的锥形的凸轮形表面有大约20度的凸轮角度也是如此。

在上面提到的两管箍管道配装件中，后管箍实现管道夹紧功能。对后管箍进行表面硬化，使它比管端明显地更硬。后管箍的前端抵靠前管箍的后端形成的一个截头锥形凸轮形表面加工成凸轮形。这个凸轮形表面的表观角度是45度，但是由于前管箍的滑移运动，有效的凸轮角度实际上是一个大约15度到20度的小角度。虽然对于后管箍的有效凸轮角度是小角度，但是，不要求后管箍实现主要的密封(虽然它可以形成次要的或者备用的密封)。后管箍也不出现不希望的弯曲作用，而只是作为一种在径向上向里面铰接作用的功能将管端夹紧。在这里使用的“铰接”这个词指的使管箍的一种可控制的变形，这种变形使得管箍本体的中心区域或者中间部分经受径向上向里面的压缩，与弯曲或者在径向上向外的移动完全相反。因此，较小的有效凸轮角度不仅不会牺牲配装件的密封能力，而且这实际上明显地增强了管道配装件的整体性能，特别是明显地增强了对于不锈钢管线的整体性能。

通过使用分开的管箍，每个管箍仅只主要实现管道配装件的关键功能中的一种功能，两管箍的管道配装件实现了极好的管道夹紧和密封的功能。这种先有技术的两管箍管道配装件获得了商业上的极大成功，特别是在不锈钢管线的技术中获得极大成功，这部分地是由于它的性能特点，比如标称值在15000psi量级的高压，标称值由低温到1200华氏度的宽的温度范围，以及在许多应用中很大数目的反复使用(“反复使用”指的是在一次初始的向上拉之后配装件的松开和重新紧固)。

美国专利3248136公开了使用单一的锁定环，而不是使用一个管箍，其中锁定环作用在一个表面上，该表面的角度似乎比20度以上的角度更大，但是该环似乎不能塑性变形进入管线中，而仍保持是弹性的，从而将该环设计成在向上拉之后仍然保持它原来的形状，这两个特点对于在这里考虑的那种类型的不锈钢管道配装件来说都是不希望的。日本实用新型专利出版物44-29659公开了一种拧紧环，它企图有一种弯曲的效果，并且在前端和后端夹紧管道。该配装件似乎不能用于不锈钢管线，因为管道用一种树脂外层覆盖着。

已经做出了许多努力设计出管道夹紧件在向上拉的过程中与单一部件的管道夹紧装置的功能分开的管道配装件。已知的设计在有阳螺纹的部件上设置可破裂的件。此外，已知的设计或者对着小的凸轮形表面角度施加作用力，或者不想产生咬进管壁的管道夹紧作用。因此，先有技术的设计受到与先有技术单一管箍管道配装件设计相同的限制。

上面描述的两管箍SWAGELOK管道配装件的许多应用和使用都不要求那样高的压力，温度和反复使用性能特点。本发明针对一种新的配装件概念，它可以满足较低的性能特点要求，而不会牺牲所有的配装件整体性和性能。

发明内容

按照本发明的一方面，一种管道配装件的新概念要求使用者仅只组装两个部件，即，配装件本体和配装件螺母。螺母和本体适宜于通过它们之间的相对转动用螺纹将它们连接在一起。螺母包括一个初始时为一体的管道夹紧件或管箍，当装配该配装件时，该管箍与在本体上的一个凸轮形表面合作配合。可以与螺母一起机械加工出管道夹紧件，或者分开地把管道夹紧件用任何方便的过程比如铜焊，焊接或者锡焊装接到螺母上。在所描述的实施例中，管道夹紧件是一个环状的结构，在它与把它安装在其上的部件分开之后，它像一个单一管箍那样工作。抵靠外壁在径向上压缩脱开的管箍，并使管箍塑性变形，形成密封和紧密的管道夹紧咬住。脱开的管箍也抵靠凸轮形表面形成主要密封。在一个实施例中，管箍在它的前端包括一个带锥度的外表面，抵靠凸轮形表面形成一个通常较窄的线接触类型的密封。把在一个实施例中的管箍设计成在向上拉的过程中有一种铰接作用，并产生塑性变形，将鼻部嵌入管壁中，为的是极好地夹紧管道，管箍还有一个在轴向上相邻的挤压或夹住区域，此区域把嵌入的鼻部与震动效应隔离开。铰接作用也帮助管箍的带锥度的外表面保持与凸轮形表面处于大致线接触的状态。最好但不是必须对配装部件特别是可分开的管箍进行表面硬化。新配装件作为不锈钢管道配装件和其它金属管道配装件特别有用，但是，本发明不限于任何特定种类的金属。按照本发明的另一方面，配装件可以包括一种自动计量的特点，显示出向上拉已经足够，并防止部件的过度拧紧。

按照本发明的又一方面，通过包括一个较大(陡)的凸轮角度由先有技术的单一管箍的管道配装件设计明显地改变得到凸轮形表面的形状，该凸轮角度范围在大约35度到大约60度。较大的凸轮角度比先有技术的单一管箍的管道配装件产生更好的管道夹紧，特别是当把管箍硬化到比管线材料硬至少大约3.3倍时是这样。也可以将管箍设计成几何形状使得在向上拉的过程中径向上向里面的铰接作用变得容易。

对于本领域技术人员来说，本发明的这些和其它方面和优点将由下面考虑到附图对优选实施例的描述看清楚。

附图说明

本发明在某些部件和部件的安排方面可以取实体形式，本发明的优选实施例和方法将在本文件中详细地描述，并将在附图中示出，这些附图构成它的一部分，其中：

图1以半纵向剖面图示出了处于手指拧紧状态的本发明的管道配装件的一个示例性实施例；

图2示出了在部分向上拉状态的图1的实施例；

图3示出了处于已经完成的初始向上拉状态的图1的实施例；以及

图4示出了本发明的另一实施例。

具体实施方式

按照本发明的一个方面，提供一种管道配装件，它具有一个夹紧管道的装置，该装置初始时与其中一个连接件成为一体，并当向上拉之后与之分开，以作为一个单一管箍配装件起作用。在优选实施例中，管道夹紧装置或管箍与一个带有阴螺纹的螺母整体地形成，并且通过一个易碎的薄幅面部分将该管箍安装到螺母上，当该管箍初始凸轮抵靠阳螺纹的元件的凸轮形表面上时，该薄幅面部分破裂。在分开后作为一个单一的管箍，该管箍作用在阳螺纹的本体的陡的凸轮角度的表面上。当夹紧管道的装置的硬度具有比管线材料的硬度大至少约3.3倍，最好至少大4倍时，陡的凸轮形表面角度是特别有利的。

虽然在这里描述结合到示例性实施例中的本发明的许多方面，但是，不应该将这样的描述解释为一种限制性。对于任何具体的应用来说，可以如在各个方面的不同的组合和其分组合中所要求的那样使用本发明的各个方面。进而，虽然本文件描述和/或示出了许多设计选择和替代的实施例，但是，不希望将这些描述认作并且不应该被解释为无遗漏地包括了这样的选择和所有替代方案。本领域技术人员将很容易认识和理解到，另外的替代方案和设计选择是在由所附的权利要求书所描述的本发明的精神和范围以内。

虽然在这里具体地参考由不锈钢特别是由316不锈钢制成的配装部件描述了各个实施例，但是，这样的描述本质上意在示例性的，而不应该被理解为有限制性的含义。本领域技术人员将很容易认识到，可以使用任何数量的不同类型的用于配装部件的金属材料以及金属管道材料实现本发明，这包括但不限于316，316L，304，304L，任何奥氏体不锈钢或铁素体不锈钢，任何双元不锈钢，任何镍合金，比如HASTALLOY，INCONEL或者MONEL、任何沉积硬化的不锈钢，比如17-4PH，例如，黄铜，铜合金，任何碳钢或低合金钢，比如1018钢，以及任何含铅的，重新磷化的或者重新硫化的钢，比如12L14钢。材料选择的一个重要方面是最好将夹紧管道的装置表面硬化或整体硬化到比配装件将要与它一起使用的最硬的管线材料还要硬至少约3.3倍，最好4倍或者更高。因此，夹紧管道的装置不需要由与管道自身相同的材料制成。例如，如下面将讨论的那样，夹紧管道的装置可以由上面提到的不锈钢或者其它适用的材料中选择，它们可以是表面硬化的，比如镁，钛以及铝，以及某些附加的示例。还有，管道夹紧环和有阴螺纹的螺母的易碎的特点也可以在非金属管道配装件中实现。

参见图1，本发明设想一种管道配装件50，在该配装件中在组装前只有两个分开的部件，即，一个有阴螺纹的螺母52和一个有阳螺纹的本体54。螺母52与在先有技术管箍类型的管道配装件中使用的典型螺母明显地不同。本体54可以与在先有配装件中使用的典型本体的一般设计类似，然而，如将在下面将进一步解释的那样，优选但不是必须的是：也使本体54达到最佳，为的是与新的螺母52适当地装配。还有，本体54不需要是一个离散地分开的部件，而是，可以把该本体安装到另一个部件上，或者另外地与另一个部件成为一体，另一个部件比如为阀门本体，多支管，或者其它的部件。

要注意到，在图中以纵向的剖面图示出了该配装件，但是仅只示出剖面的一半，应该理解到，另一半是相同的，为了清楚和容易表示而省略了。在这里的所有图中，各种间隙和尺寸都在某种程度上夸大了，为的是容易表示。

本体54为大致圆柱形的主体56，它有一个整体的延伸部分或端部56a。端部延伸部分56a例如可以是一个六边体，或者是另一个部件比如阀门本体的一部分，如上面提到的那样。主体56可以由与端部延伸部分56a相同的坯料机械加工而成，或者可以另外地比如通过焊接或者其它适当的技术把它安装上。本体56包括一第一中心纵向孔58，将它的尺寸适当地做成紧密地又可以滑动地容纳一个管端13。第一孔58的直径比同轴的第二孔59略大一些，该第二孔穿过本体54的端部延伸部分56a伸展。当然，如果配装件50是一个封闭端连接件，内孔59可以不是一个通孔。

管端13的底部最好抵靠一个埋头孔60。通过机械加工或者其它方式使本体56形成有外部阳螺纹62，该螺纹以螺纹与在螺母52中形成或机械加工成的对应的阴螺纹64配合。可以设想到，为了避免在无意中将旧类型和新型的本体和螺母部件与先有技术的配装部件弄混，可以使本发明的螺母和本体上的螺纹的螺距与先有技术管箍型管道配装件的螺母和本体的螺距的数值明显地不同。这样将避免互换的问题，也使得可以有较大的螺距，其提供大的轴向行程，减少为了完成向上拉对螺母的旋转。例如，与本发明结合的配装件可以采用大螺距的螺纹，实现足够的轴向移动，在半圈内适当地完成向上拉的操作。作为比较，典型的先有技术配装件要用11/4到11/2圈完成向上拉的操作。然而，没有任何因素妨碍设计者采用任何对于特殊的应用适当的螺距，因为还有其它技术可以避免互换的问题。因此，为了向上拉转半圈仅只是可供选择的多种设计中的一个示例。

最好但是不是必须，把中心本体孔58做成有相对于管端13的纵向轴线X(图1)在径向上稍微向里的锥度α，使得在轴向方向上朝向埋头孔60的孔58的直径在径向上减小。例如，这个锥度可以为大约2度到大约4度，但是，所选定的角度不是特别严格的。孔58在埋头孔肩部的直径仅只比管端13的外径稍微小一点。这样，管端13与孔58有在径向上轻度的过盈配合，例如千分之几英寸的过盈配合。这种孔58与管端13之间的过盈配合提供了一种防止旋转的作用，以帮助防止管端13在向上拉的过程中转动。这样也减小了由于在向上拉的过程中夹紧管道的元件80的旋转在管端中可能造成的残余的扭曲应力。管端13不必然地必须将底部完全抵靠在埋头孔的肩部60上。这是因为过盈配合帮助在孔58与管端13之间实现良好的主要密封。这种过盈配合也通过夹紧管道的件(80)在向上拉的过程中在轴向上保持管端不动帮助改进管道夹紧，使得夹紧管道的件(80)的整个轴向位移用来实现适当的变形和管道夹紧，而在拧紧的过程中管端的轴向运动没有任何损失。孔58的锥度可以沿着它的整个轴向长度逐渐地伸展，或者邻近埋头孔60伸展一个较短的轴向部分。

螺母52包括第一中心孔70，它有相对于配装件50的纵向轴线的第一直径D1。螺母52也包括第二孔72，它有相对于配装件50的中心纵向轴线的第二直径D2。在这一实施例中，直径D2比直径D1小。进而，将直径D2的尺寸做成使得孔70确定一个大致圆柱形的壁，其容纳管端13(图2)。第一孔70终止在轴向上与螺母后端74隔开一定距离的一个位置，从而形成一个凹孔(trepan)75，使得螺母52包括一个在径向上向里面伸展的颈圈76。一般说来由螺母52的后端壁74、较小直径的孔72和较大直径的孔70形成该颈圈76。

按照本发明的一个重要的方面，螺母52包括一个夹紧管道的装置80，它以一定程度的悬臂方式由颈圈76在轴向上向里伸展。在这个示例中夹紧管道的装置的一般形式为一个夹紧环80，并且包括一个内孔82，该内孔形成一个基本上圆柱形的壁，其紧密地容纳管端13(图2)。孔82的直径D3可以与第二螺母孔72的直径相同或者不同。形成夹紧环孔82的圆柱形的壁在轴向上由夹紧环80的带锥度的前部或鼻部84伸展。鼻部84包括一个在轴向上带锥度的外表面86，其朝着环80的后端径向尺寸增大。带锥度的外表面86由夹紧装置80的大致径向上的前端85伸展。这个大致径向上的前端85在一个最好是尖锐的角部87连接到圆柱形内孔82上。然而，替代地，在环80的前端可以设置一个沿周向的凹入部或台阶或凹口或者其它的几何形状(未画出)，它的直径比直径D3大一些，并且在轴向上由前端85朝向螺母52的后端74伸展。

带锥度的表面86最好通过一个倒圆(或半径)部分89和在它的轴向相对的端部靠倒圆86a(或半径半径)把前端85连接到大致圆柱形的部分91上，此圆柱形部分进而通过一个倒圆93连接到凹孔75上。

在这一点要注意到，将夹紧管道的装置80的多种几何特点(比如各种凹进部分、凹口、带锥度的部分、倒圆部分，等)选择成使得实现一种适当的在径向上向里面铰接的作用，如下面将进一步解释的那样。因此，夹紧管道的装置80的几何形状将由管线的材料的特点比如硬度和配装部件的特点，管线的尺寸和特殊应用所要求的管道夹紧和密封性能确定。因此，在这里给出的具体的实施例希望本质上是示例性的，对于夹紧管道的装置的几何形状不是限定性的。上面关于两管箍配装件的参考专利也图示出其它的几何形状改型，使得容易产生铰接作用，以获得所要求的管道夹紧。

按照本发明的另一方面，一个薄的易碎幅面部分95将夹紧管道的装置或者管箍80安装到有阴螺纹的螺母52上。当在向上拉的过程中管箍80初始以凸轮形抵靠凸轮形表面88时，这个幅面部分断裂(如在图2中所示出的那样)，使得夹紧管道的装置或管箍变成一个分开的件，并且与螺母和本体一起像单一管箍配装件那样起作用。被分开的管箍80具有通过螺母52的在径向上向里面伸展的壁152在轴向上驱动的后端150，该壁152用作一个驱动表面，用于朝前驱动管箍80抵靠在凸轮形表面上，完成初始向上拉的操作。最好将易碎的幅面(或腹板)部分80设计成使得当装置80与螺母52分开时，沿着断裂线暴露的表面95a在进一步向上拉完成组装的过程中对螺母的驱动表面152没有干扰。当描述与螺母52分开之后的装置50时，可以互换地使用在这里使用的术语“夹紧管道的装置”和“管箍”或“单一管箍”。

通过形成一个径向槽154，将管箍80机械加工成带有易碎的幅面部分95，该槽的角度为大致朝向有阴螺纹的螺母52的里面。这个槽154形成管箍80的后端150，也形成螺母的径向壁152，在管箍80与螺母52分开之后，该壁152在轴向上对着凸轮形表面驱动管箍。最好但是不是必然地，把壁152和后端150相对于管道孔轴线X机械加工成大约75度左右的角度，但是，取决于特定的应用这个角度可以不同。如果那样要求，可以将这些表面152和150的形状做成减小磨损和扭曲。

参见图1，2和3，带锥度的鼻部84初始时与轴向上带锥度的凸轮形表面88接合，对于在主体56中的管道孔58形成一个开孔。带锥度的凸轮形表面88是把孔58的壁连接到本体54的后端壁90上的表面。这个凸轮形表面88的特征在于为大致截头圆锥的形状。然而，可以由其它形状中选择表面88的形状，这取决于对于在具体应用中的配装件50所要求的特定的环变形和夹紧管道的特点。

在已经完成向上拉之后，本体54的后端90与凹孔75接触，该凹孔用作一个可靠的止动件，防止过分地拧紧。如果要求反复使用，在完成第一次向上拉之后，可以使后端90与凹孔75在轴向上间隔开。可以采用一个间隙测量仪或者其它适用的技术检验在这种情况下向上拉是否适当，如众所周知的那样。

将夹紧管道的管箍80的形状做成实现配装件50的几种重要的功能。在适当地向上拉之后，管箍80必须提供抵靠在带锥度的凸轮形表面88上对流体的严密的主要密封。这种密封可以是对于管道配装件50的主要的外密封，或者对于在管端13与本体54之间形成的任何密封例如沿着孔壁58和/或埋头孔60的密封来说，可以实际上是一种次要的或者备用的密封。被分开的管箍80也将在管箍80咬进管端13的外表面中的位置在管箍80的圆柱形孔82与管端的外表面接合的区域形成主要的密封。再者，对于管端13抵靠本体54形成的任何密封来说，这种主要的密封可以是一种备用或次要的密封。在任何情况下，管箍80必须形成抵靠凸轮形表面88和管端13的外表面的主要密封。此外，管箍80必须适当地夹紧管端13，从而保持在压力，温度和震动效应下密封的完整性，并且防止管端与配装件在这些情况下分开。

为了实现对流体密闭的密封和管道夹紧作用，将管箍80设计成在完成向上拉之后可以塑性变形，并且挤压进入管端，如在图3中所示出的那样。通过把管箍80设计成有一种铰接作用实现这种效果，从而当用螺纹将螺母52旋到本体54上时，不仅在轴向上向前驱动带锥度的鼻部84，而且在径向上移动或驱动鼻部84，与管端13的壁的外表面接合。因此压缩鼻部84的前端92，并且用一个形成的提高应力的装置将该前端嵌入管壁中，或者在图3用附图标记94表示的区域中咬住。前端的牙94产生一个由塑性变形的管端材料形成的大致在径向上伸展的壁或肩部99。该肩部99与夹紧环80的嵌入的前端92接合，从而形成一个特别强的机械阻力，防止在较高压力下的管道爆裂。因此，嵌入的前端92既产生极好的密封又获得在管端13上很强的夹紧。进一步将环80设计成给出上面提到的在径向上向里面的铰接作用，从而在轴向上与提高应力的牙94邻近或者分离开的一个位置将圆柱形的壁82挤压或夹在管端上。这种挤压或夹住的效果明显地增强了夹紧管道的功能，并且用来将嵌入的鼻部和牙94与下面的管道震动的效应隔离开，也与温度变化隔离开。

虽然在这里用实现一个嵌入的鼻部和伴随的挤压作用的多种实施例描述了本发明，但是，本领域技术人员将会认识到，在某些应用中，可能不总是要求有这样高的设计标准，特别是对于将暴露在中等的温度，震动和压力效应的管线是这样。因此，不应该将在这里作为优选实施例描述的螺母，本体和夹紧环的附加设计方面理解为限制的意义，而是应该理解为如特别的应用所要求的那样可以使用的本发明的基本方面的可选措施。

为了获得所要求的挤压作用和管道夹紧，将管箍80设计成提供铰接作用，这使得把带锥度的鼻部84和夹紧环80的中心或中间部分(在圆柱形孔82的区域或者由附图标94表示的区域)当它与本体56的带锥度的呈凸轮形的口88接合时在径向上被向里面压。也使用这种铰接作用提供圆柱形壁82的径向上的明显移动和压缩，以把管箍80的中心或中间部分挤压到在轴向上邻近升高应力的装置94的管端13上。在图1-3的实施例中，通过设置最好但不是必须的径向上沿圆周的内凹口98使铰接作用变得容易实现，该凹口在轴向上定位于圆柱形部分72与82之间。适宜于将凹口98的形状做成容许管箍80以可控的方式实现塑性变形和塌陷，从而在径向上抵靠管端压圆柱形的壁82，有所要求的夹住效果。因此，将把夹紧环80的特别形状设计成使得在管箍80分开之后继续用螺纹将螺母52拧紧到本体54上，管箍80实现铰接和塑性变形，以夹紧管端，并对着管端和带锥度的呈凸轮形的口88都实现密封。可以采用标准的设计步骤比如Finite Element Analysis(有限元分析)在可改变因素的基础上使环80的形状达到最佳，这些可改变的因素比如管线材料，管线硬度和壁厚，以及所要求的压力，温度和震动性能特点。

通过对于带锥度的表面88选择一种适当的形状可以进一步控制管箍80的适当变形。这个表面与管箍80的带锥度的鼻部接合，因此，将部分地确定管箍80实现铰接，压缩和塑性变形的时间和方式，将鼻部适当地嵌入，咬进管线，并且也提供所要求的夹住或挤压作用。进而，可以将凸轮形表面88的形状设计成在管箍80的鼻部与带锥度的表面88之间实现所要求的密封。作为在管箍80与管端13之间提供的密封，这种密封对于配装件的整个性能很重要。

可以通过标准的机械加工操作制造出带有与它成为一体的管道夹紧管箍80的螺母52，并且将典型地包括一个开孔操作，形成环80的外部形状。也可以用已知的机械加工操作实现螺母52的其它特点。最好但是不是必须，螺母52包括扳手平面102，使得使用者可以将螺母52拧紧到本体54上。本领域技术人员将很容易认识到，配装件59的使用只要求在螺母52与本体54之间的相对转动，使得在向上拉的操作过程中可以使任何一个部件或者两个部件都如所要求的那样转动。

我们已经发现，非常希望凸轮形表面88相对于配装件50的纵向轴线X和管端13形成一个大约35-60度的凸轮角度θ。更可取地，凸轮形表面88的角度θ为40-50度，最可取地，角度θ大约为45度。凸轮形表面88的这个角度范围与通常使用的金属管箍类型的管道配装件设计有极大的不同。通常使用的管道配装件的凸轮形表面角度的范围在10-25度，与本发明相比这是一个小得多的角度。在先有技术配装件中较小的凸轮角度是必须的，使得管箍沿着凸轮形表面滑动较长的轴向距离。这种较大的滑动作用使得可以将夹紧管道的装置逐渐地变形进入管端中，以形成夹紧作用，或者在管道上咬住。对于不锈钢管线特别是这样的情况。包括较大(较陡)的凸轮角度的先有技术配装件实际上或者是依靠凸轮形表面的较浅的部分，或者不在管线中产生牙，从而限制了配装件的耐压能力。然而，先有技术较小的凸轮角度牺牲了单一管箍形成可靠的密封的能力。作为强烈的对比，本发明采用明显地大的凸轮形表面角度θ，这使得可以把夹紧环的鼻部84实际上压进凸轮形表面88中，而基本上没有滑动作用，从而形成极好的密封。

在这里的示例性实施例中，鼻部84包括倒圆部分89，其过渡到外面的带锥度的表面86。这个外表面86的锥度一般为不像凸轮形表面88的角度那样大的角度。带锥度的外表面86最好在轴向上带有锥度，朝向夹紧环80的后端径向尺寸逐渐增加。在向上拉之后，这个带锥度的外部86以实际上通常较窄的区域接触或者线接触与凸轮形表面88接触，这样有高的应力和材料压入，使得夹紧环80的前端可以压进凸轮形表面88中。因此，“通常较窄的线接触”这个词不会排除在带锥度的外表面86与凸轮形表面88之间的接触面积，而是更一般地指靠近或者在带锥度的外表面86与凸轮形表面88之间的高应力和材料压入的凸轮形表面88的最里面部分的局部化的接触面积。“压入”这个词简单地意味着夹紧环80在倒圆部分89与凸轮形表面88之间获得金属对金属的好的密封，获得这种密封是通过形成在金属上打磨的金属的通常较窄的周向上的线接触，在带锥度的表面86与凸轮形表面88之间实现气密的主密封。

注意到下面一点是重要的：一个特定的凸轮角度的使用不必然与表面88的形状有关。换句话说，感兴趣的角度是夹紧环80的前端与凸轮形表面88接触在其上形成密封的那个角度。因此，确实可以将凸轮形表面88制作成不是截头圆锥的形状，但是，与一个带很陡角度的表面88接触的管箍80的前端仍然可以形成密封。可以采用凸轮形表面88的其它的复合角度或形状，使得管箍80更容易实现铰接作用和管道咬住。

不管是否将凸轮形表面88做成有附加的带角度的部分的一个复合的带角度的表面，这些附加的带角度的部分较陡或者较浅，使铰接作用和夹紧环80咬进管端13变得容易，按照本发明的这一方面，夹紧环80的前端的密封部分(在示例性实施例中为倒圆部分89)在凸轮形表面88的一个很陡的带角度部分上形成主要密封，陡的带角度部分相对于配装件50的纵向轴线X和管端13的角度θ范围最好在大约35-60度，更可取地，凸轮形表面88的角度θ应该为40-50度，最可取地，在形成主要密封的位置角度θ应该大约为45度。最好但不是必须，由夹紧环80的前端与凸轮形表面88之间的通常较窄的线接触类型的接合实现这个主要密封。

较陡的凸轮形表面角度还有附加的好处：可以把夹紧管道的装置80的鼻部或前部做成与如果该前部不得不与较小的凸轮形表面角度接合如在先有技术单一管箍和夹紧环设计中那样相比，有大得多的质量。这个添加的质量与铰接作用一起会将大得多的材料质量定位在或者靠近管道牙94的位置。与先有技术单一管箍和夹紧环设计相比，这明显地增强了夹紧管道的装置在耐压力方面的强度，也增强了夹住效果，这种效果将牙与振动和温度效应隔离开。铰接作用也造成了夹紧管道的装置的后端(即与鼻部端84相对的那一端)不与管端接触，使得整个夹紧管道的装置处在轴向上和径向上的压缩状态。

一般说来，对于夹紧管道的装置比如能够嵌入进管端，咬住和夹紧管端的管箍，夹紧管道的装置必须比管端更硬。对于厚壁管线尤其是这样。在先有技术的较小角度的凸轮形的口中管箍的较长距离的轴向运动使得即使当管箍比管道仅只中等程度地硬时管箍仍可以嵌入管道中。在这些情况下，如果夹紧管道的装置80仅只比管道硬得不多，对于陡角度的凸轮形表面该装置不能适当地夹紧管道，这是因为在较陡的凸轮角度所造成的向上拉的过程中夹紧管道的装置在轴向上的移动短得多。然而，按照本发明，通过将夹紧管道的装置做成比管线硬得多，可以使用角度较陡的凸轮形表面，并且这样的表面可以有效地使夹紧管道的装置适当地咬进管端，把管道夹紧。

本发明的比较陡的凸轮角度θ也造成在向上拉的过程中管箍80的轴向移动位移要短得多。结果，将需要短得多的轴向位移或滑动实现鼻部84在径向上的变形，并且把鼻部84压进管端13中。为了获得适当的管道夹紧，最好对管箍80进行表面硬化，达到比管线材料硬至少大约3.3倍的硬度。例如，如果管线材料是不锈钢，它的硬度可以高到大约200Vickers。因此，按照本发明的这一方面，当与这样硬的材料一起使用配装件50时，应该把夹紧管道的装置硬化到比管线硬至少大约3.3倍的硬度。更可取地，应该把夹紧管道的装置硬化到比管线硬至少4倍的硬度。更进一步，不需要对整个夹紧环80进行表面硬化，而可以仅只对鼻部84选择性地进行表面硬化。

按照本发明的这一方面，可以把螺母52和本体54的全部或一部分整体硬化或者表面硬化，当与较硬的管线材料比如不锈钢一起使用时，增加配装件50对管道的夹紧。在美国专利6165597和6093303以及在2000年1月28日提交的授予本发明的受让人的题为MODIFIED LOWTEMPERATURE CASE HARDENING POCESS的共同未决的专利申请序列号09/494093中充分描述了适用的表面硬化过程，它们的全部内容完全结合在这里作为参考。这些过程产生夹紧管道的装置大约800到1000Vickers或者更高的硬度，而不牺牲配装件的耐腐蚀能力。然而，可以如要求的那样使用其它的表面硬化技术。管道夹紧环80的表面硬化使得环80可以抵靠管线材料比如不锈钢包括双元不锈钢实现适当的夹紧和密封。上面参考的表面硬化专利还有附加的好处：在环80上提供的表面可以减少或者防止在环80(它与螺母52一起转动)与管线之间的磨损。

也可以与管道夹紧环80一起使用多种润滑剂，来减少磨损和残余扭曲，比如PTFE润滑脂，以及包含二硫化钼或者二硫化钨的润滑脂。

表面硬化技术典型地将使得整个螺母52和一体的管道夹紧环80被表面硬化。当在不锈钢上进行表面硬化时，例如在上面参考的专利应用中，形成附着的氧化外层。在本发明的另一实施例中，可以将固体润滑剂加到不锈钢螺母52的螺纹上，以减小摩擦，从而在拧紧的过程中减小向上拉的扭曲。为了这个目的可以使用任何固体润滑剂，许多这样的润滑剂是众所周知的。一些示例为石墨，二硫化钼，二硫化钨，以及UHMWPE(超高分子量的聚乙烯)。这些润滑剂可以单独地使用，即，不与其它材料混合，或者与其它材料混合，比如一种树脂状的载体或类似物。此外，可以以任何固体形式使用它们，这包括粉末，颗粒，以及软膏。

这种类型的固体润滑剂是众所周知的商业产品。例子包括可以由在Midland，Michigan的Dow Corning Corporation获得的Dow Corning321 Dry Film Lubricant和可以由在Monrovia，California的TransChem Coatings获得的Slickote^Dry Lube 100。

可以用任何标准的方法施加这些润滑剂，比如用手，用气溶胶或空气喷雾器，或者用自动化设备。可以使用将提供润滑性能的任何的涂层厚度。通常不要求超过标准种类2的螺纹公差的固体润滑剂厚度。如果适当，也可以将润滑剂加热，以便增强它的附着力。例如，可以将某些润滑剂特别是以一种树脂状的粘接剂形式提供的润滑剂加热，实现粘接剂的固化。例如，可以按照制造商的说明书将Slickote^Dry Lube 100加热到300华氏度1小时。

在本发明的一个特别的实施例中，在不锈钢螺母52上使用如上面所描述的干燥润滑剂，这些螺母已经经过采用一氧化碳为碳来源的低温渗碳处理。不锈钢不生锈是因为有薄的粘附的铬的氧化物薄膜，当钢暴露给空气时，自然地形成这样的薄膜。不锈钢部件比如由AISI 316和316L制成的部件的低温渗碳处理常常在部件表面上留下一层积炭涂层。在使用前通常通过洗刷将这层积炭除去。当使用一氧化碳作为低温渗碳处理中碳的来源时，不仅形成积炭，而且形成一层重的氧化物薄膜。这层重的氧化物薄膜与天生的铬氧化物薄膜明显不同，这一层使得不锈钢生锈，在于它比较厚并且不是天生的。因此，这层薄膜在使用之前也要除去，将部件的经过渗碳处理的表面露出来。

按照这个特别的实施例，在施加固体润滑剂之前不除去这层重的氧化物薄膜。而是，将它留在经过渗碳处理的部件表面上，或者至少留在要润滑的那部分经过渗碳处理的部件表面上。按照这个特别的实施例，已经发现，这种重的氧化物外层的天然多孔结构用作把润滑剂粘接到部件表面上的一种固定剂。结果，润滑剂比在其它情况下可能的有更大的附着力，并且因此，能够经受重复的配装件反复使用(即，螺母的松开并重新拧紧)，而不会被除去。

图4示出了本发明的另一实施例，在此实施例中所有部件一般与前面的实施例相同，只有一个改变。在易碎的幅面部分95上，形成了一个应力集中的凹口300。在这个实施例中，将这个应力集中的凹口300做成通常严密的倒圆部分，它产生材料的一个较薄的幅面302，帮助管箍80与螺母52快速地干净地断开。这样，作为螺母52只经过手指拧紧位置的最小的旋转的跨度的结果出现这种断开。端口的形状也只有较少的锯齿。也可以如所要求的那样使用其它形状的凹口300，这包括椭圆形，三角形，等等。

已经参考着优选实施例描述了本发明。很明显，对于其它人在阅读和理解本文件之后将会出现改型和变化。希望包括所有这些改型和变化，因为它们落在所附的权利要求书或者它的等价物的范围以内。

Claims (7)

1.一种用来增强不锈钢部件的经过渗碳处理的表面的滑动程度的过程，由低温渗碳过程产生所述经过渗碳处理的表面，其中，经过渗碳处理的表面基本上没有碳化物沉积物，所述过程包括用固体润滑剂涂布作为渗碳的副产品的金属氧化物层。

2.按照权利要求1所述的过程，其特征在于，在金属氧化物层上还形成作为渗碳过程的副产品的一层积炭层，所述过程还包括在施加固体润滑剂之前除去所述积炭层，而基本上不除去金属氧化物层。

3.按照权利要求1所述的过程，其特征在于，不锈钢基本上或者部分是奥氏体。

4.按照权利要求1所述的过程，其特征在于，不锈钢是AISI 316、316L、304或304L不锈钢，或者是它们的任何组合。

5.按照权利要求1所述的过程，其特征在于，所述固体润滑剂为石墨、二硫化钼、二硫化钨、超高分子量的聚乙烯，或者它们的混合物。

6.按照权利要求1所述的过程，其特征在于，所述固体润滑剂的形式为微粒，并包括粘接剂。

7.按照权利要求1所述的过程，其特征在于，所述经过渗碳处理表面是支承表面。

Images