自瑞典工程师GunnarLarsson在二十世纪50年代末发明卡压式连接技术以来，卡压连接已逐渐在全球水、煤气、供暖、特种油质等管道中广泛运用[1~3]。
在 道连接密封选择使用上，因其连接便捷可靠，且连接时为机械压接，不会产生热量，特别适用于狭窄工作面及煤气管道连接，已成为DN50以内薄壁不锈钢管道的主要连接方式。这种方式相对焊接方式的施工时间大幅度缩减；不需要很熟练的技术工人就可以完成操作；杜绝施工现场出现明火，减少工程隐患。随着国外技术的引进与国内技术的发展，卡压连接技术已经在我国广泛应用，其中包括广州黄沙铁路南站工程、宝鸡凤翔中医院、福州长乐机场飞行出勤楼、广东省五白天鹅宾馆、深圳市能恩伟业能源投资有限公司、中山市家丽雅电气有限公司成都分公司、徐州新奥燃气和青岛胶山珠山天然气加气站等不同类型场所给排水和燃气工程项目。
根据大量项目回访调查，发现连接处密封圈老化和密封间隙是导致出现漏水、渗水、漏气的主要原因。密封圈性能和安装的好坏直接关系到薄壁不锈钢管卡压连接的成功与否和使用寿命。目前在薄壁不锈钢卡压连接方面，关于密封圈密封性与压缩率的研究和探讨相对少，密封圈压缩量的取值并没有一个完整的数据和标准体系来支撑[4]，生产企业大多按照经验进行卡压连接，使得安装很不规范。
本文重点分析薄壁不锈钢管道卡压连接中O型密封圈的压缩率，采用逐步检测和失效试验的方法对最佳压缩率进行试验，探讨密封圈在不同压缩率下的长期密封性能与失效点。
1）O型密封圈介绍
1.1密封原理
薄壁不锈钢卡压式管件端部的沟槽内装有特制的O型橡胶密封圈，安装时将不锈钢饮用水管插入管件承口至定位台阶位置，用专用的卡压工具对沟槽和沟槽一侧或两侧的卡压部位同时进行刚性机械连接，O型密封圈受挤压后径向收缩抱紧从而起密封作用。另外，卡压部位管件和管材的同时收缩变形起到抗拉拔作用，剖面形成六角形状，防止使用中旋转漏水，起到抗旋转作用，从而有效地实现不锈钢管道密封连接。图1反映了O型密封圈在不锈钢卡压管道中卡压前后的效果。
图1O型密封圈在管道内卡压前后效果示意
1.2密封材料
对密封材料的一般要求是[5]：在动或静密封下工作时可以有良好的密封性,能够适应温度和压力的变化；不会轻易泄露所输送介质，能够长期工作；在工作介质中不易发生化学变化,有良好的化学稳定性；制造加工方便，价格低廉，取材容易。对于不锈钢管道给排水类，EPDM三元乙丙橡胶是一个极佳的材料，它的主要性能有低密度高填充型，其密度为0.87，可大量充油和填充剂，因此可以降低成本价格。EPDM缺乏极性，不饱和度低，因而在各种化学品有较好的抗耐性，但在脂属和芳属溶剂中稳定性差。它的分子内聚能低，可在较宽范围内保持柔顺性，分子结构中缺少活性基团，自粘性和互粘性差。其耐水蒸气性能尤佳，使用温度范围为-50~150℃。
常用的O型密封圈硬度为40～90IRHD。硬度是评定密封性能最好的指标，它决定了O型密封圈的压缩量和沟槽最大允许挤出间隙。硬度低，安装方便，但容易出现剥落、安装损伤、挤出甚至压力爆炸；硬度过高，安装不方便。
1.3压缩率与压缩永久变形
在卡压式连接中，密封圈受到压缩，在压缩方向上其截面直径会变小。压缩率为密封圈受压后直径的变化量与其初始截面直径的比值，可表示为：
式中W--压缩率，%；
d0--密封圈初始截面直径，mm；
d2--压缩状态下，密封圈沿压缩方向的截面直径，mm。
密封圈在压缩状态时，必然会发生物理变化和化学变化。当压缩力消失后，这些变化阻止橡胶恢复到期原来的状态，于是就产生了压缩永久变形。压缩永久变形性能涉及到橡胶的弹性与恢复，是衡量橡胶制品密封性能的好坏及使用寿命长短的重要指标之一。压缩永久变形率c（%）按式（2）计算[6]：
式中d1——复后，密封圈沿压缩方向的截面直径，mm。
密封圈的老化因素有很多，主要是热、氧化、机械应力和油介质等。一般情况下在使用期间管道内水压波动、水流速度、温度值交替变化也会对密封产生影响，会出现一些密封性下降，老化速率加快的问题。在不锈钢水管的静态密封中，热和水的影响是引起老化的主要因素，其表现为密封圈的永久变形增大，当达到临界值时，密封圈失去密封性，出现漏水，也就意味着密封圈失效。
2）试验材料与方法
2.1试验材料
试验用O型密封圈为德国进口三元乙丙橡胶密封圈，硬度75邵氏度，拉伸强度13.48MPa，扯断伸长率为388%，压缩率分为10%、15%、20%、25%和30%。
2.2试验方法
2.2.1密封性检测方法
最直观的检验密封性的好坏是观察管道在规定的压力下是否会出现漏水。本次密封性测试采用DN50不锈钢管道，在指定的压缩率下进行卡压连接，然后将连接件内灌满水，利用手动水压泵进行加压，如图2所示。压力值从0开始，缓慢升高，直至密封处漏水为止，记录漏水时的压力值。试验选用多组卡压连接件，经多次测试后，取其中一个最小值作为连接件的承受压力值。
图2手动水压泵示意
2.2.2压缩永久变形率与使用寿命预测方法
根据橡胶材料压缩永久变形测定标准[6]，利用密封圈压缩板挤压O型密封圈，用螺丝锁紧至限制板高，限制板厚度由压缩量决定，然后进行压缩永久变形试验。试验方法为：在压缩器限制板上涂一层对试验无影响的润滑剂，随机抽取合格O型密封圈放入压缩板内，用螺丝通过中心的螺丝孔锁紧、固定进行压缩，然后放置测试环境中，达到规定时间后，去除压缩，放到室温条件下30mim左右进行厚度测量，然后由（2）式计算压缩永久变形率c。
在高温下，橡胶的老化会明显加速。在一定的温度范围内，橡胶圈在高温下的老化与使用温度下的老化机理是相同的。因此，可以通过高温下一系列的加速老化试验，用回归分析的方法，找出各个温度下的变化常数，由各个温度下的常数，根据阿仑尼乌斯公式就可以推算出使用温度下的变化常数，从而预测密封圈在使用温度下的寿命。为加速橡胶圈老化，选用130~170℃的静态过热蒸馏水为测试条件。压缩率选用为25%。
3）试验结果与分析
3.1密封性
不同压缩率下，卡压连接件所能承受的压力值如图3所示。可以看出，卡压连接件所能承受的压力随压缩率增大而变大。在10%～25%的压缩率范围内，压力随压缩率增大而明显变大，压缩率超过25%以后，压力的增幅显著变缓。在25%压缩率为时，压力达到4.01MPa不漏水，是国家标准（1.6MPa）[7]的2.5倍。虽然试验中压缩率大于15%时的压力数据都大于国标，但是在实际过程中，由于产品制造公差、工具反复使用造成的磨损、安装时卡压不到位等情况，会使实际压缩率偏小。同时，考虑到过高的变形量不便于安装，也会缩减管道有效直径。因此，在综合考虑承压值和实际安装的情况下，最佳压缩率选定为25%。
图3不同压缩率下DN50卡压连接件承受的压力值
3.2压缩永久变形率与使用寿命预测
由高温加速老化试验所测得的永久变形率和时间的关系如图4所示。
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图4不同温度下密封圈压缩永久变形与时间的关系
在高温下，橡胶的老化会明显加速。在一定的温度范围内，高温加速老化与橡胶圈在使用温度下的老化机理是相同的。因此，可以通过高温下一系列的老化试验，用回归分析的方法，找出各个温度下的变化常数，再由各个温度下的常数就可以推算出使用温度下的橡胶圈的性能[8]。
在静密封下，密封圈的使用寿命可以用以下经验公式[8]来预测：
表1不同温度下计算的k值
选定温度T分别为常温（25℃）、70℃、80℃和90℃，将常数B、k、a值代入公式（5），得到密封圈在水中的压缩永久变形率和时间的关系如图5所示。
图5密封圈在水中压缩永久变形率与时间的关系
如果定义密封圈的失效临界值为y0=0.3，即永久变形率c=1-y0=70%时密封圈失效，那么从（5）式可以计算，密封圈在常温、70℃、80℃和90℃的热水中的使用寿命分别为306年、128年、80年和52年。从图5可以看到，在不同的温度下，密封圈在使用第一年时永久变形率变化较大，从5%左右迅速增大20%～30%，随后增速变缓，直至达到临界值而失效。以密封圈在80℃热水中的计算结果为例，t=1d时，c=5.1%；t=365d（1年）时，c=30.4%；当t=29200d（80年）时，c=70%，密封圈失效。也就是说，O型圈在80℃的热水中，只用了一年时间就达到了30.4%的永久变形率，而随后c从30.4%增加70%需要79年的时间。因此，可以认为初始的0～30%以内的永久变形率对于在热水中使用的O型圈的寿命没有太大的影响，而温度是影响O型圈寿命的最主要因素。实际O型圈在安装中，随着给定压缩率的不同，会有不同的永久变形率，我们只需要选择一个合适的压缩率，使永久变形率不超过30%，便不会对O型圈的使用寿命造成很大的影响。
4）结论
（1）随着安装中压缩率的增大， 卡压连接件承受的压力也随之增大，压缩率超过25%以后承受压力增幅不明显。在25%压缩率下，连接件能稳定承受的压力不小于4.0MPa。
（2）压缩率为25%时，在常温、70℃、80℃和90℃的热水中，预测的O型圈的使用寿命分别为306年、128年、80年和52年。温度对O型圈的寿命影响最大。
综上，考虑到产品制造公差和安装工具的磨损等实际情况，薄壁不锈钢管道卡压连接时的O型圈的压缩量应在25%左右最佳，这样既有良好的密封性，使得不容易失效，也有长久的使用寿命。
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