专利名称：一种适用于高温条件的管接头卡套的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于高温条件下的管接头卡套，尤其适用于陶瓷管件与金 属管线之间的连接。
背景技术：
陶瓷材料具有优异的化学稳定性和高温稳定性，但是它的最大缺点是易脆 裂。陶瓷管与金属管线的连接方法通常有3种焊接、粘接和机械连接。焊接法 能实现良好的密封并具有一定的强度，但金属和陶瓷性质迥异，必须采用特殊的 焊接工艺。文献报导的金属-陶瓷焊接法有很多[叶大萌，熊惟皓，徐华安.金属
陶瓷与金属焊接技术的研究现状与展望.材料导报，2006, 20(8): 72~75.]，如熔化 焊、钎焊、压焊、中性原子束照射、自蔓延高温合成、液相过渡等，这些方法在 工艺上大多还处于研究阶段，且操作十分繁琐。粘接法的难处在于缺乏合适的高 温粘接剂，这是因为金属与陶瓷的物化性能与膨胀系数有较大差异，使得粘接强 度与密封效果很难满足高温使用条件的要求。机械连接法是通过接头、螺纹、法 兰、卡套等来实现陶瓷管的密封以及与其它部件的连接，具有简单易行、成本低、 拆装方便的优点，但陶瓷属于脆性材料，即使在常温下，接头设计和操作过程也 必须格外小心，在高温条件下难度更大，密封效果也更难保证。
石墨是非常理想的高温密封材料。以石墨垫对陶瓷管进行端面挤压是一种最 常见的高温密封方式[Y. Huang, R. Dittmeyer. J. Membr. Sci" 2006， 282(1-2): 296-310][洪学伦，吴迪镛，付桂芝，邱国文，刘朝普. 一种无机材料与金属密封 连接组件.CN 96225849.0， 1996]。端面挤压法要求管件的端面必须平整且与管 体垂直，密封效果则取决于压力大小压力不足则密封不严，压力过大易压碎陶 瓷管；升温过程中，还要考虑到各部件的受热膨胀也可能压碎陶瓷管。端面挤压 法显然不适用于具有较大长径比的陶瓷管件。降温后，端面挤压法的密封效果下 降。另外，陶瓷管的管壁较薄时，在挤压过程中它对石墨垫产生的剪切力可能会 破坏密封效果，即使采用内含金属芯的石墨垫依然难以解决根本问题。o形圈式 的密封方式是通过O型圈的挤压变形来实现的，密封效果取决于O形圈的弹性。 具有良好弹性的橡胶O形圈不耐高温，而耐高温的密封材料如石墨却又缺乏弹 性，因此这种密封方式也不理想。本专利仍以石墨作为密封材料，密封方式类似于O形圈式，但设计了一种具有特殊结构的连接卡套，很好地解决了这些问题。
发明内容
本发明的目的是针对脆性材料与金属管线之间采用石墨垫进行高温密封时 所存在的问题，而提出了一种适用于高温条件的管接头卡套。
本发明的技术方案为 一种高温连接卡套，其特征在于由螺帽(l)、螺栓(2) 和作为密封材料的石墨垫(4)组成；螺帽(1)和螺栓(2)面向石墨各有一个
斜面，其中螺帽(1)面向石墨的斜面与工作管件之间夹角为5-80°，螺栓(2) 面向石墨的斜面与工作管件之间夹角为5-90°;与工作管件(3)所接触的石墨长 度为4-30 mm。
螺帽面向石墨的斜面与工作管件之间呈的夹角为15-45°;螺栓面向石墨的斜 面与工作管件呈的夹角为30-50°;两斜面可以是平滑的，也可以是含有螺纹或凹 凸的曲面。这样可以进一步增加密封面的长度。
所述的工作管件为脆性材料管件(如陶瓷管，金属管，塑料管)；工作管件 外径为5-100 mm;所述的螺帽及螺栓外径为8-120 mm。
螺帽(1)和螺帽(2)均为金属材质，优选不锈钢材质，外侧能用扳手施力旋紧。
作为密封材料的石墨垫是围绕工作管件的环形密封垫；用模具预先成型，或 者是将石墨直接放入螺帽与管件中的空腔处用螺栓当场挤压而成。所述的石墨为 石墨粉、石墨纸、石墨丝或石墨碎块。
如一次挤压后能将螺纹完全旋进螺母，则旋开螺栓(2)继续补加石墨，直 至螺栓螺母挤紧后螺栓空出l-3mm螺纹。由于石墨中可能含有高温下不稳定的 杂质，因此应将石墨事先在高温下处理。
以陶瓷管为例，所发明卡套的工作原理如图1所示。螺帽(1)、螺栓(2) 和陶瓷管(3)之间形成一个梯形截面的环状密封腔，密封腔中为石墨密封材料 (4)。密封后气体可能泄露有两条路线其一是螺帽(1)与石墨环(4)的界面， 其二是石墨环(4)与陶瓷管(2)的界面，这两个界面即是密封面。显而易见， 密封材料与螺帽及陶瓷管的接触面越大、接触越紧密则密封效果越好。图1所示
的设计方案， 一方面大大延长了这两个密封面的长度，另一方面通过螺帽(1) 与螺栓(2)对石墨环(4)的挤压可同时实现石墨环与前两者的紧密接触，因而 可实现良好的密封作用。传统卡套的密封腔为截面呈矩形的环，并以石墨o形 圈或O形环作为密封垫，卡套对石墨的挤压力主要是纵向的，而石墨垫与陶瓷管之间的密封需要的是侧向压力，由于石墨不是弹性材料，纵向压力很少能够转 为侧向力，因此无法实现良好的密封。而本发明所设计的卡套利用了物理学上力 的分解原理，既增大了密封面又实现了密封材料与密封面的紧密结合，从而保证 了密封效果和连接强度。
陶瓷管的外径为5-100mm，螺栓(2)的内径尺寸与陶瓷管相匹配，陶瓷管 也可能略呈不规则圆形，此时要通过增加螺栓(2)的内径来保证陶瓷管能顺利 进入螺栓。密封腔的高度即石墨填充高度在2-10 mm，密封腔越高则螺帽(1) 和螺栓(2)需要旋得越紧以对密封材料产生足够的挤压力；密封腔越长则密封 面越长，密封效果越好。只不过会使卡套显得过于笨重，且卡套会更多地罩住陶 瓷管，因此密封腔最优填充高度为3-6 mm。螺帽(O和螺帽(2)均为金属材 质，优选不锈钢材质，外侧能用扳手施力旋紧。螺帽(1)的底端可与金属管线 相连，亦可封闭成陶瓷管堵头。
本发明所说的陶瓷材料也包括多孔陶瓷以及以陶瓷为基体的复合材料。例如 具有优良透氢性能的以多孔陶瓷为基体的钯或钯合金膜[黄彦，李雪，范益群， 徐南平.透氢钯复合膜的研究进展原理、制备及表征.众^^^ 2WM， 7S(2-刀: ，-23&]。
本专利所设计的卡套也适用于金属管材的高温密封和连接。
有益效果
所发明的管接头卡套巧妙地利用了物理学上力的分解原理，既增大了密封面 又实现了密封材料与密封面的紧密结合，从而保证了密封效果和连接强度。解决 了脆性材料的高温密封难题。该卡套结构紧凑、易于加工、使用方便、密封效果 好。传统的管接头卡套，在使用一次以后，卡套中的密封件将与金属管牢牢地结 合在一起，更换卡套时只能将金属管切断。而本专利的卡套更换方便，只需将螺 栓(2)拧开破坏石墨垫即可脱下卡套。
图l.卡套结构示意图；其中l-螺帽；2-螺栓；3-管件；4-石墨垫。
图2.卡套结构示意图；其中l-螺帽；2-螺栓；3-管件；4-石墨垫；5-凹陷。
5具体实施方案 实施例1
所使用的管件为外径12mm、内径8mm、长10cm的刚玉陶瓷管。两端卡 套设计如图1所示，其中不锈钢螺帽的密封面与不锈钢螺栓的挤压面倾斜角度分 别为40和45°，与陶瓷管所接触的石墨长度为15 mm。密封材料为0.5 mm厚石 墨纸剪成的碎片，事先在500°C焙烧3 h。将石墨碎片放入卡套的密封腔中，旋 紧螺栓，将石墨压实后再将螺栓旋开，补加石墨。刚玉管两端密封后， 一端封闭， 另一端通过阀门与钢瓶氮气相连。刚玉管内加压0.4MPa，关闭阀门，发现3min 内管内压力无变化，说明不漏气。将陶瓷管与卡套在450。C加热3h，再次进行 气密性测试，仍未发现漏气。密封组件经室温 450。C之间反复5次升降温处理， 发现气密性没有任何变化。
实施例2
同实施例l，但密封材料改为为石墨粉，发现气密性良好。 实施例3
同实施例l，但管件改为外径20mm、内径10mm、长15cm的不锈钢管。
发现气密性良好。
实施例4
同实施例1，但不锈钢螺帽的密封面与不锈钢螺栓的挤压面倾斜角度分别为 20和50°，与陶瓷管所接触的石墨长度为10mm。发现气密性良好。
实施例5
同实施例1，但卡套构造如图2所示螺帽(1)的密封面增加了一个半圆
形的凹陷(5)，延长了螺帽(1)与石墨之间的界面。
以上实施例仅用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下所做的任何 等效的变化，都属于本发明权利要求的范围。
权利要求
1. 一种适用于高温条件的管接头卡套，其特征在于由螺帽(1)、螺栓(2)和作为密封材料的石墨垫(4)组成；螺帽(1)和螺栓(2)面向石墨各有一个斜面，其中螺帽(1)面向石墨的斜面与工作管件之间夹角为5-80°，螺栓(2)面向石墨的斜面与工作管件之间夹角为5-90°；与工作管件(3)所接触的石墨长度为4-30mm。
2. 如权利要求1所述的卡套，其特征在于螺帽面向石墨的斜面与工作管件 之间呈的夹角为15-45°;螺栓面向石墨的斜面与工作管件呈的夹角为30-50°;两 斜面是平滑的，或者是含有螺纹或凹凸的曲面。
3. 如权利要求1所述的卡套，其特征在于所述的工作管件为脆性材料管件； 工作管件外径为5-100 mm;所述的螺帽及螺栓外径为8-120 mm。
4. 如权利要求1所述的卡套，其特征在于作为密封材料的石墨垫是围绕工作 管件的环形密封垫；用模具预先成型，或者是将石墨直接放入螺帽与管件中的 空腔处用螺栓当场挤压而成。
5. 如权利要求4所述的卡套，其特征在于所述的石墨为石墨粉、石墨纸、石 墨丝或石墨碎块。
全文摘要
本发明涉及一种适用于高温条件的管接头卡套，由螺帽(1)、螺栓(2)和作为密封材料的石墨垫(4)组成，其中，螺帽(1)和螺栓(2)与石墨(4)的界面都有一个斜面，这样不仅延长了石墨(4)与螺帽(1)和工作管件(3)之间的两个密封面的长度，同时又利用了物理学上力的分解原理，使螺帽(1)和螺栓(2)提供的挤压力部分转化成石墨(4)对工作管件(3)的压力，从而保证了密封效果和连接强度。该卡套尤其适用于脆性材料管件的高温密封和连接。
文档编号F16L13/007GK101440901SQ20081024413
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者胡小娟, 陈卫东, 彦 黄 申请人:南京工业大学