管接头用于将管子的一端接合或连接到另一个构件上，该构件 可能是另一管端，如三通管接头和弯管接头，或是需要与管端液体 相通的器件，如阀门。本文所用的术语“管子(tube)”和“管路(tubing)” 包括但并不限于“输送管(pipe)”。任何管接头必须具有在压力、温 度和振动标准范围内的两种主要功能，这些标准是管接头设计必须 满足的。首先，管接头必须夹紧管端，能防止密封失效或管子爆裂。 其次，管接头必须保持主密封不漏。几十年来，对管接头实现这两 项功能的要求已经成为管接头设计的主导因素。有许多因素影响着 管接头设计达到夹紧和密封性能的标准，但是影响任何管接头设计 的基本因素是：1)接头与之配合的管子的特性，包括材料、外径和 壁厚；2)管接头用途要求的管子夹紧和密封性能水平。设计目标是 提出一种管接头，在具有市场竞争性的设计导致的对产品成本的制 约范围内，能够可靠地达到需要的管子夹紧和密封性能。
无扩口管接头通常是指管端基本是管口状的接头型式，与扩口 管接头不同，扩口管接头的端口是嗽叭口并套在配合件上。扩口管 端通常用于塑料管和塑料管接头。本发明不涉及塑料管或塑料管接 头，因为这种接头具有根本不同的要求和材料性能，这些性能影响 到接头件夹紧管子以及足够密封的能力。而且塑料管中，工作压力 和温度通常都是较低的。换句话，对于管子夹紧和密封，塑料管接 头的设计工作对非塑料管接头有很少或是没有指导意义。
用于不锈钢管的管接头，具有达到要求的管子夹紧和密封性能， 是对设计工作的特殊挑战。问题来自不锈钢的特性，对于通常从商 业途径可买到的管子材料，这是一种非常硬的材料，通常高达200 维氏硬度。不锈钢管还用于高压用途，这时管壁很厚(称作厚壁管)。 厚壁管难以夹紧，因为其不仅硬，而且尤其是塑性不高。低塑性使 得要让管子塑性变形达到想要的管子夹紧就更加困难。
不锈钢管的管接头通常包括组件，其中：1)管子夹紧机构，往 往是一个或多个金属环，或是夹紧环状结构，2)拉紧机构，用于使 管子夹紧机构安装到管端上并夹紧管端和形成防漏密封。术语“拉 紧(pull-up)”是指管接头组件的旋紧操作，以完成组件安装到管端， 形成想要的管子夹紧和密封。
通常首先将不锈钢管接头组装成“手指拧紧”状态，然后使用 扳手或其它合适的工具将接头拧紧即“拉紧”使接头处于最终和完 全安装状态。有时，尤其是对较大的管子尺寸，使用挤压工具将金 属环预先安装到管子上。最常用的拉紧机构是螺纹连接，当带有阴 螺纹的配合帽和带有阳螺纹的配合体拧紧在一起时，管子夹紧机构 工作。配合体包括管端接纳孔，孔的外部有带角度的凸面。最常用 的凸面是截锥形，因此，术语“凸面角度”是指凸面对管端纵轴或 外表面的锥角。管端轴向插入配合体孔并延伸超过截锥形凸面。夹 紧机构在管端上滑动，配合帽一部分拧到配合体上，到达手指拧紧 位置，使管子夹紧机构轴向卡在凸面与配合帽之间。配合帽通常包 括内肩部，当配合帽与配合体通过螺纹拧紧在一起时，肩部驱动管 子夹紧机构与配合体上带有角度的凸面相接合。带角度的凸面向管 子夹紧机构施加径向挤压，迫使管子夹紧机构进入与管端的夹紧接 合。管子夹紧机构通常与管子外表面以及带角度的凸面形成密封。
在现时的不锈钢管接头(最常用的是金属环型管接头)中，最普通 的管子夹紧机构是通过使管子夹紧机构的前部即尖端部分压入管端 的外表面而实现管子夹紧。如本文中所使用的，术语“压入”指的 是管子夹紧机构在管端外表面中的塑性变形，通过压入动作使管子 塑性变形和产生压痕，从而在管子夹紧机构前端形成大体上为径向 的肩或壁。因此，这种“压入”还具有增强结构的特点，可防止管 子在高压下爆裂，尤其是对1/2”和更大的大直径管。
多年来，已经有许多不依靠“压入”型接合的管接头设计，而 只是使管子夹紧机构径向挤压管子外表面，有些在管子上有压入作 用，但没有产生压入。这些设计不适用于高压不锈钢管接头。从商 业途径可以买到的最普通的不锈钢管接头，特别是用作高压用途的， 曾经有两种根本不同的管子夹紧机构设计，单金属环管接头和双金 属环管接头。
单金属环管接头，顾名思义是使用单个金属环来完成管子夹紧 和密封两项功能。但是，当设计欲达到要求的管子夹紧和密封性能 标准的管接头时，可清楚地认识到这两种功能互相矛盾。这是因为 要求保证管接头达到足够管子夹紧的设计标准往往会损及单金属环 还要具有的有效密封能力。因此，虽然现有技术的单金属环接头在 某些情况下能达到足够的管子夹紧，但是这种管子夹紧性能是以降 低有效密封为代价而得来的。这种情况的一个后果是，有些单金属 环设计成要有额外元件和技术来达到足够密封。单金属环接头在用 于气体密封时，尤其是高压气体，其不具有最佳密封性能暴露的特 别明显。因此，单金属环接头通常更适用于低压液体，如水力方面 的用途，但是，即使在这种较低压力的用途上，单金属环的密封性 能仍然不很理想。
对单金属环管接头来说，压入动作通常与单金属环的设计有关， 金属环设计成在前后端之间的单个金属环中心区或中间部分从管壁 径向朝外弯成弧形。由于配合帽在金属环后端的驱动，金属环的前 端朝带角度的配合体凸面移动。这种弯曲动作有助于使单金属环前 端压入管端内。这种弯曲动作还用来使金属环的后端也同样接合并 夹紧管端。这个动作通常是通过在配合帽肩部设置带角度的驱动面 来实现，该驱动面与单金属环的后端接合，径向挤压金属环后端使 之进入管端夹紧动作。在某些单金属环设计中，明显有意使金属环 的后端压入管端。有时单金属环使用这种后端管夹紧是为了改善振 动条件下的管接头性能，因为后端夹紧可以将传给管子的振动与影 响前端管子压入隔开。
采用后端管夹紧实际上会损及单金属环前端夹紧管端的作用 力。理想的是，单金属环应该是在配合帽与配合体凸面之间受到完 全的三维挤压。提供后端夹紧实际上对单金属环形成反作用张力， 会损及形成管子夹紧力的前端挤压动作。朝外的弯曲动作会损害单 金属环前端夹紧管子的作用力，这是因为为了实现朝外弯曲形动作， 单金属环需要减少管子夹紧“压入”点附近区域的质量。朝外弯曲 动作将金属环的质量中心从管端沿径向移开。由此，朝外弯曲的单 金属环接头可能更容易使金属环损坏，使密封失效以及在较高压力 下出现管子爆裂。
为了不锈钢管能实现满意的管子夹紧，单金属环不锈钢管接头 历史上曾用过较小的在10°与20°之间的凸面角度。这个角度范围在 本文中称为“小”，只是因为这个角度不算大，出于方便而采用了 这个用语。这种小凸面角度已经在单金属环接头中使用，具有机械 上的优点，因小角度而形成了轴向较长的凸面表面，单金属环的前 端在这个面上滑动并径向挤压和压入管端外表面。硬不锈钢管材料 需要这样较长的凸面滑动动作，为了使单金属环能够产生足够的压 入将管子夹紧。多年来，单金属环采用淬硬或表面硬化处理，使硬 度比不锈钢管的硬度高很多，但今天这种单金属环接头仍在采用小 凸面角利用金属环沿着凸面表面滑动产生“压入”来保证足够的管 子夹紧，这具有机械上优越性。从商业途径得到的单金属环接头的 实例，其采用表面硬化的金属环和大约20°的小凸面角，是可从 Parker-Hannifin公司买到的CPI接头系列。另一例子是Ermeto GmbH 公司的EO接头系列，该系列采用淬硬的单金属环和12°凸面角。
在某些单金属环设计中，曾尝试非锥形凸面，将金属环简单地 压在管端外表面，并不产生压入。其结果只不过是一种低夹紧或低 压力的接头，不适合用作不锈钢管接头。
采用单金属环接头达到足够的管子夹紧，需要有小凸面角以及 较长的凸面和轴向移动量，但是，这会损害单金属环达到密封功能 的能力，尤其是在恶劣环境中和用于密封气体的情况下。这是因为 单金属环的前端要与轴向较长的凸面形成密封。径向朝外弯曲动作 造成单金属环前端外表面大部分与凸面相接触，其中金属环受驱动 沿凸面移动。这就必然在单金属环外表面与凸面之间造成较大的密 封表面区。这样增大的密封区会在单金属环与凸面之间造成不希望 的密封力分布，以及还会造成较大面积的表面缺陷区，由此产生泄 漏。这完全是金属对金属的密封问题(与非金属对非金属的密封相对 比，例如，在塑料接头中，通常总是想要设置增大的密封接触区， 因为较高塑性的塑料能够在两个表面之间较好地形成密封)。
因为历史上单金属环接头采用小凸面角达到了满意的管子夹 紧，不是很高的密封功能已被接受认可作为对接头用途的限制，或 者对单金属环接头设计附加特性，最著名的是在单金属环上设置一 个或多个弹性密封件，单金属环结合弹性密封件可在不锈钢管形成 较好密封。例如，见美国专利No.6,073,976和No.5,351,998。美 国专利No.6,073,976介绍了一种典型的单金属环(在专利中称作“切 入环”)接头，这种接头打算采用附加弹性密封件来解决“密封”问 题。No.5,351,998专利介绍将管子夹紧和密封功能分开由两个单独 部件承担所获得的好处。
从商业途径可以买到并且高度成功的管用双金属环接头可以从 美国俄亥俄州Solon市Swagelok公司买到，并且在美国专利No.6, 131,963和No.3,103,373中作了介绍，这两项专利都由本发明受让 人共同拥有，专利的全部公开内容在本文中引用参考。在这种双金 属环接头中，管子的夹紧和密封功能也是分别通过两个金属环达到 的。前面或前金属环形成极好的密封，甚至可以密封气体，背面或 后金属环形成极好的管子夹紧。
前金属环通过偏压在小凸面角度(如20°)的凸面上达到极佳的密 封。这是因为前金属环不需要为了达到管子的夹紧功能而在凸面上 过多地滑动。同样，前金属环没有表面硬化处理，因为前金属环的 主要目的是密封，而不是压入管端。由此，“较软”的前金属环可 达到极佳的密封，尤其是对气体，尽管配合体的锥形凸面只有约20° 的凸面。
在上面提到的双金属环管接头中，后金属环实现管子夹紧功能。 后金属环经过表面硬化处理，硬度大大超过管端的硬度。后金属环 的前端压在前金属环后端形成的截锥形凸面上。这个凸面表面的角 度是45°，但是由于前金属环滑动移动，有效凸面角实际上是约15° 至20°的小角度。尽管为后金属环准备的有效凸面角角度不大，但并 不要求后金属环形成主密封(虽然它能形成次级即辅助密封)。后金属 环也进行不需要的弯曲动作，而是通过径向朝里的铰接式转动实现 管子夹紧功能。这里使用的术语“铰接”是指金属环的可控变形， 使金属环主体的中央区即中间部分经受径向朝里的挤压，这与弯曲 即径向朝外位移有着根本的区别。这样，有效的小凸面角不仅不会 损害接头的密封能力，实际上大大提高了管接头的整体性能，尤其 是对不锈钢管来说。
通过使用分开的金属环，各金属环只完成一个主要的管接头功 能，使两个金属环的管接头具有非常好的管子夹紧和密封性能。由 此，这种现有技术的双金属环管接头已经取得极大的商业成就，尤 其是在不锈钢管技术领域，部分原因是由其具有的性能特性，如15000 磅/平方英寸范围的高压力等级，低温至1200°F的很宽的温度额定 值，以及在许多应用中都可以进行大量重装(“重装(remake)”是 指在初始拉紧后松开和拧紧接头)。
美国专利No.3,248,136介绍了一种与金属环不同的单锁紧环， 其中此锁紧环压在带角度的表面上，这个角度看来大于20°或更大， 但是此环不会塑性变形压入管子，而是保持着弹性，所以环设计成 在拉紧后仍保持原始形状，这两个特点都不适用于这里考虑的那类 不锈钢管接头。日本实用新型公报44-29659介绍了一种紧固环，具 有弯曲作用并且在前和后端将管子夹紧。如果不锈钢管上涂有树脂 覆层，这种接头就不能用于不锈钢管。
所介绍的双金属环管接头的许多用途和使用不要求如此高的压 力、温度以及重装的性能特性。本发明涉及一种新的接头概念，能 够满足较低的性能要求，同时又不损害的接头整体性和性能。此外， 本发明涉及新的单金属环管接头及其变型，能够比现有技术的单金 属环管接头，特别是在不需要上述双金属环管接头的高端性能特性 的用途中，显示出明显改进的性能。

根据本发明的一个方面，提出一种不锈钢管的单金属环管接头， 能实现比现有技术的单金属环管接头明显改进的密封功能，同时还 能达到优良的管子夹紧功能。这种密封功能的实现不需要使用额外 的弹性体或其它非金属密封件。在一个实施例中，单金属环管接头 的配合体的凸面采用了比较陡的凸面角。根据本发明的这个方面， 在一个实施例中，凸面角在至少约35°至约60°范围内，更好是在大 约40°至50°范围内，最好是大约45°。根据本发明的另一方面，单金 属环管接头在比较陡角度的凸面上形成主密封。在主要实施例中， 主密封是通过金属环的外锥形面形成的，外锥形面没有凸面那样陡 的角度，外锥面可发生塑性变形或与具有上述范围角度的凸面形成 窄的线接触。根据本发明的另一方面，提出一种具有改进的管子夹 紧的单金属环管接头，采用表面硬化的金属环，其几何形状设计增强 了金属环的管子夹紧。在一个实施例中，金属环进行的表面硬化处 理，使它的硬度至少达到不锈钢管硬度的大约3.3倍，最好至少是不 锈钢管硬度的4倍。这样可以使单金属环甚至在较陡的凸面角和较 短的轴向行程条件下能满意地压入坚硬的不锈钢表面将管端夹紧。 根据本发明的另一方面，单金属环在进行拉紧期间通过铰接式转动 而发生塑性变形。这种铰接式转动从压入管端的金属环的轴向前端 对金属环体的中央部分即中间部分上产生径向朝里的挤压。这种铰 接转动作用将更多的金属环材料移至管子夹紧的压入部位并在金属 环中央即中间部分产生的夹紧即挤压作用，这有助于将管子夹紧的 压入与振动作用隔离开。在一个实施例中，金属环的几何形状包括 至少一个内圆周凹槽，以增强拉紧期间的铰接转动作用。这种铰接 转动作用也有助于保持金属环外锥面与凸面表面具有窄的线接触。
本发明还涉及一种新的管接头概念，利用较陡的凸面角以及要 求使用者只安装两个部件，这两个部件是配合体和配合帽。配合帽 和配合体可通过它们之间的相对转动螺纹连接到一起。配合帽包括 整体形成的管子夹紧环，当接头安装好时，配合环与配合体上的凸面 相接合。夹紧环可以与配合帽一起通过机加工制成，或者是单独加 工，再通过任何合适的工艺将环连接到配合帽，如通过铜焊、焊接 或钎焊。此环径向压在管子外壁上并出现塑性变形，从而形成密封 和紧密夹紧管子的压入。此环还与较陡凸面形成主密封。在一个实 施例中，夹紧环包括外部锥形表面，锥度没有凸面角那样陡，这个 锥形表面与较陡的凸面形成窄的线接触型密封。在一个实施例中，夹 紧环被设计成在拉紧期间具有铰接式转动并会发生塑性变形，尖端部 分压入管壁形成优良的管子夹紧，轴向邻接的挤压即夹紧区将压入 的尖端部分与振动作用隔离开。接头的部件，尤其是配合环，最好 进行表面硬化处理，但这不是必须。这种新接头特别适用于作为不锈 钢管接头，虽然本发明不限于任何特定的金属种类。根据本发明的 另一方面，接头可以包括自控尺寸特性，可指示足够的拉紧和防止 部件过度拧紧。
所属专业的技术人员从下面参考附图对一些优选实施例的介绍 将会对本发明的这些和其它一些方面以及优点有清楚的了解。

本发明可能会采用某些零件和零件布置的实际形式，它们的最 佳实施例和方法将在本说明书中进行详细介绍，并在作为本说明书一 部分的附图中进行图示说明，附图包括：
图1所示是处于手指拧紧位置的根据本发明的管接头的第一实 施例的半纵向截面图；
图2所示是处于拉紧位置的图1实施例；
图3所示是根据本发明的整体形成的配合帽和管子夹紧机构；
图3和图4所示是具有自控特性的本发明的另一方面，所示接头 分别处于手指拧紧和拉紧位置；
图5和图6所示是本发明自控特性的另一实施例；
图7、7A和8所示是根据本发明的单金属环接头的单金属环和 凸面的半纵向截面图，接头分别处于手指拧紧和拉紧位置；和
图9至12所示是与配合帽整体形成的管子夹紧环其他的几何形 状。

现在，根据本发明的一个方面，管接头设置了管子夹紧机构，可 压在两个接头部件之一的陡的凸面上。当管子夹紧机构的硬度至少 是管子材料硬度的3.3倍并最好至少是4倍时，陡的凸面角度就显示 出很有优点。本发明在两个不同的实施例中利用本发明的这些方面。 将要介绍的第一实施例是管接头装置，其中管子夹紧机构与两个螺 纹连接件之一整体形成，也就是与带阴螺纹的配合帽整体形成。第 二实施例是不锈钢管的管接头的连接机构，使用与阴、阳螺纹部件 一起的单独的单金属环作为管子夹紧机构。这两个实施例可共享本 发明的许多共同方面，其中许多方面是可以随意变换的，可以有各 种组合和次级组合，如凸面形状、凸面角度、管子夹紧机构的几何 形状，以及管子夹紧机构相对管子材料的硬度特性。
虽然所介绍的本发明的许多方面结合在示例性实施例中，但是 这样的介绍不应认为有限制性。对任何特定应用，本发明的各方面 可能会根据需要以不同组合和次级组合形式来使用。此外，虽然介 绍和/或图示说明了许多设计选择和不同方案的实施例，但是这些介 绍无意作为也不应该认为是这些选择和方案的完整清单。所属专业 的技术人员很容易认识并理解这些额外的变化和设计，它们都属于 本发明在附后的权利要求中所限定的精神和范围内。
虽然这里介绍的各个不同的实施例特别以不锈钢制造的接头部 件作为参考，尤其是316不锈钢，这些介绍只是示例性的，不应认 为有限制性。那些熟悉本专业的技术人员会很容易意识到在实施本 发明时可以采用任何数量不同型号的金属材料来制造管接头部件， 以及作为金属管材料，包括但不限于316，316L，304，304L，任何 奥氏体或铁素体不锈钢，任何双炼不锈钢，任何镍合金，如耐盐酸 镍基合金(HASTALLOY)，铬镍铁合金(INCONEL)或蒙乃尔高强度 耐蚀镍铜合金(MONEL)，任何沉淀硬化不锈钢，如17-4PH；黄铜、 铜合金，任何碳钢或低合金钢，如1018钢，以及任何加铅的、重加 磷的或重加硫钢，如12L14钢。材料选择的一个重要方面是管子夹 紧机构最好应该经过表面硬化或淬硬处理，使硬度达到接头使用的 最硬管子材料的硬度的3.3倍，最好是4倍或以上。因此，管子夹紧 机构不需要用与管子同样的材料来制造。例如管子夹紧机构可以选 用上述不锈钢材料，或其它可以表面硬化的合适材料，如镁、钛和 铝，以及其他材料，这些将在下面讨论。
参考图1，这是本发明的管接头50，其中只有两个分开的部件， 即带阴螺纹的配合帽52和带阳螺纹的配合体54。配合帽52与现有 技术的金属管用金属环型接头使用的普通配合帽有很大不同。配合 体54可能在设计上类似于现有技术的管接头使用的普通配合体，但 是，如将在下面所作进一步解释，最好但不是必须对配合体54进行 优化以便与新配合帽52适当地配合。此外，配合体54不需要是单 独的部件，可以连接在或整体形成在另一个零件上，例如阀门体、 歧管或其它部件。
注意到附图中，接头是以纵剖面进行显示的，而且只显示了剖 面的一半，应该理解另外一半是相同的，省略是为了图示的清晰和 简化。在所有附图中，为了便于显示，各种间隙和尺寸都有一定的 放大。
配合体54具有普通的圆柱形主体56，它有整体延伸部即端部 56a。端部56a例如可以是六角形，或是另一部件的一部分，如上面 提到的阀门体。主体56可以用与端部56a的同一块材料机加工制成， 或者可以通过焊接或其它合适的技术进行连接。主体56包括第一中 心纵向孔或内孔58，其有适当的尺寸，可以紧密和滑动地容纳管端 13。内孔58的直径比同轴的第二内孔59要大些，第二孔通过配合 体54的端部56a延伸。当然，如果接头50是封闭的端部连接，第二 内孔59就不会是通孔。
管端13最好以底部顶在埋头孔60上。主体56带机加工的或用 其它方法形成的外部阳螺纹62，可以与配合帽52内形成的或机加工 的相应的阴螺纹64配合。可以想到为了避免不小心将新老配合体和 配合帽与现有技术接头的部件相混，本发明的配合帽和配合体上的 螺距可以与现有技术的金属环型管接头的配合帽和配合体的螺距值 有很大不同。这样可避免互换问题，还可采用大螺距，其具有很大 的轴向行程，可以减少完全拉紧所需的配合帽旋转。例如，采用本发 明的接头可以使用大螺距螺纹，产生足够的轴向位移，只须转半圈 就可实现适当的拉紧。相比之下，典型的现有技术接头要用1又1/4 至1又1/2圈才能拉紧。但是，由于许多其它的技术可以避免互换问 题，因此不必阻止设计师采用适合特定用途的任何螺距值。因此， 半圈拉紧仅仅是可采用的各种设计选择的一个例子。
中心孔或内孔58最好，虽然不是必须，相对管端13纵轴线X(见 图2)形成稍微径向朝里的锥度α，使内孔58的直径轴向朝埋头孔60 的方向上径向缩小。例如，锥度可以是约2°至约4°，尽管所选的角 度不是特别重要。在埋头孔肩部，内孔58的直径只是稍小于管端13 的外径。通过这种方式，例如，管端13与内孔58之间有千分之几 一英寸的轻微径向压配合。内孔58与管端13之间的这种压配合起 到抗转动作用，有助于防止管端13在拉紧期间发生旋转。还能减少 拉紧期间由于管子夹紧部件例如夹紧环80旋转而引入管端的残余扭 应力。管端13不一定要将底面完全顶在埋头孔60的肩部，因为压配 合有助于在内孔58与管端13之间形成良好的主密封。这样的压配 合通过在拉紧期间将管端保持在轴向固定状态还有助于改善管子夹 紧部件80对管子的夹紧，由此使管子夹紧部件80的全部轴向位移 都用作适当变形和管子夹紧，在拧紧期间管端没有任何无效的轴向 运动或移动。内孔58的锥度可以沿着整个轴向长度逐渐延伸，或在 靠近埋头孔60的较短轴向部分逐渐延伸。
在图1和图2的实施例中，对配合帽52和配合体54规定了轴 向尺寸，当接头恰好拉紧时，如配合帽52相对配合体54转动半圈 时，配合帽前端66轴向接触配合体54的端肩68或其它的轴向止挡 面。由此接头50具有自控特性，因此可指示足够的拉紧和防止配合 帽52过度拧紧。但是，在有些情况下，可能希望增加配合帽52相 对配合体54的轴向位移，例如接头50的重装；配合帽52和配合体 54可以将轴向尺寸确定为，完成初始拉紧时在其间(例如，在两个相 对应的前端66与端肩68之间)保持轴向间隙。在后一种情况下，可 以使用量具来校正恰好的初始拉紧，例如，使用测隙规来确认前端66 和端肩68的表面之间的轴向间隙没有超过预定值即确定的尺寸。这 种停止特性还可以用来实现重装接头50的限定次数。
参考图3，配合帽52包括具有相对接头50纵轴线的第一直径D1 的中心孔或第一孔70。配合帽52还包括第二孔72，具有相对接头50 中心纵轴线的第二直径D2。在这个实施例中，直径D2小于直径D1。 此外，直径D2的尺寸使第二孔72形成圆柱形的壁，用于容纳管端 13(图1)。第一孔70终止在轴向与配合帽后端74隔开的部位从而形 成一个环形部分75，由此配合帽52包括径向朝里延伸的套环76。 套环76由配合帽52的后端74的壁、较小直径第二孔72和较大直 径第一孔70形成。
根据本发明的一个重要方面，配合帽52包括管子夹紧机构例如 夹紧环80，以悬臂形式从套环76轴向朝里延伸。在这个实例中管子 夹紧机构具有一般的夹紧环80形状并包括内孔82，此孔形成基本上 圆柱形的壁，用于紧密接纳管端13(图1)。内孔82的直径D3可能与 第二配合帽孔72的直径相同或不同。形成夹紧内孔82的圆柱形壁 从夹紧环80的锥形前部即尖端部分84轴向延伸。尖端部分84包括 轴向锥形外表面86，其径向尺寸朝环80的后端增大。锥形外表面86 从夹紧环80的径向前端85延伸。此径向前端85可以有小的角度即 锥度并最好在尖角87处与圆柱形内孔82连接。但是，可以有不同 的结构，可在夹紧环80的前端设置圆周凹槽或台阶，或切槽或其它 的几何形状(图中未示出)，夹紧环80的直径略大于直径D3，并且从 前端85朝配合帽52的后端74轴向延伸。
锥形外表面86最好通过圆角部分89与前端85连接以及在轴向 另一端通过圆角86a与圆柱形部分91连接，而圆柱形部分91则通过 圆弧93与锥形外壁部分95相接合。锥形外壁部分95沿圆弧与环形 部分75相连接。
应该注意到一点，就是管子夹紧机构例如夹紧环80的各种几何 形状特性(例如，各种凹部、切槽、锥形部分、圆角部分，等等)的选 择，应当能产生恰当的径向朝里铰接式转动，这将在下面作进一步 解释。因此，管子夹紧机构80几何形状的确定取决于管子的材料特 性，如硬度，和接头的部件，管子的尺寸和所要求的管子夹紧程度， 以及特定用途所需要的密封性能。因此，这里介绍的一些具体实施 例只是示例性的，并无意对夹紧机构的几何形状有所限制。通过示 例的方式，无意有所限制，图9至图12显示出管子夹紧机构的另外 一些几何形状方案。以上参考的双金属环管接头专利也显示了另外 的几何形状，能够有利于铰接式转动作用，获得想要的管子夹紧。
参考图1、图2和图4，锥形尖端部分84首先接合轴向锥形的 凸面88，凸面形成与配合体56的管孔或内孔58相通的开口。锥形 凸面88连接内孔58壁到配合体54的后端壁90。在图1和图2的实 施例中，凸面88的特征是具有凸起外形。但是，凸面88的形状可 以根据接头50在特定用途中所需要的特定夹紧环变形和管子的夹紧 特性来选择别的形状。这样，如图4所示，凸面88’可以是截锥形。 还应注意到图4显示出，轴向锥形管孔或内孔58只是在靠近埋头孔60 的较短轴向部分上是锥形的。
管子夹紧环80的形状可以影响到接头50的若干重要功能。夹 紧环80必须在适当拉紧时与锥形凸面88形成液体密封的主密封。 该密封可以是接头50的主要外部密封，实际上也可以是管端13与 配合体54之间形成的任何密封，例如沿孔壁或内孔58和/或埋头孔60， 的二次密封或辅助密封。夹紧环80还能够在压入管端13外表面的 部位形成主要密封，在这个区域，夹紧环80的圆柱形内孔82与管端 外表面接合。此外，该主密封可能实际上是由管端13与配合体54 形成的任何密封的辅助密封或二级密封。在任何情况下，夹紧环80 必须形成相对凸面88和管端13外表面的主密封。此外，夹紧环80 必须能够夹紧管端13，能够在压力、温度和振动作用下保持密封的 整体性，以及防止在这些情况下管端与接头脱开。
为了实现液体密封和管子夹紧动作，夹紧环80设计成在拉紧时 会发生塑性变形和挤压切入管端，如图2所示。这样的结果是通过 将夹紧环80设计成具有铰接式转动来实现，由此当配合帽52拧上 配合体54时，锥形尖端部分84不仅被驱动轴向向前移动，而且还 径向位移即受驱动与管端13壁的外表面相接合。尖端部分84的前 端92由此受到挤压并压入管壁同时造成应力上升，也就是压入图2 中标记94所示的区域。前端的压入处94产生由塑性变形的管端材 料形成的径向延伸的壁即肩99。肩99与夹紧环80压入前端接合， 由此形成对较高压力管爆裂非常强的机械阻力。前端的压入的尖端 部分92对管端13形成极佳的密封并有强力夹紧。夹紧环80还进一 步设计成具有上述径向朝里铰接式转动，在使圆柱形壁82对管端挤 压和夹紧，挤压部位在轴向靠近应力上升的压入处，或在压入处的 后侧，大致用标号96标出。这种挤压和夹紧作用大大增强了管子夹 紧功能并可将压入的尖端部分和压入处与传至管子的振动以及还有 温度变化的影响隔离开。
虽然本发明在各种不同的实施例中介绍了压入的尖端部分和伴 随的挤压动作，本专业的技术人员将会意识到在某些应用中，尤其 对那些接触适中温度、振动和压力作用的接头来说，不可能要求如 此严格的设计标准。因此，本发明的基本目的之一是提供无扩口管 接头结构，这种管接头不采用一个或多个金属环，而是采用与一个 带螺纹接头部件整体形成的管子夹紧环。作为最佳实施例提出的配 合帽、配合体和夹紧环的设计不应认为是限制性的，而应认为是对 本发明基本概念可选择的增强，可在需要时用于特定场合。
为了实现希望的挤压动作和管子夹紧，将夹紧环80设计成可进 行铰接式转动，当夹紧环与配合体56锥形凸面开口88接合时，使 得夹紧环80的锥形尖端部分84和中央即中间部分(在圆柱形孔82的 区域或标志号94所指的区域)径向朝里挤压。这样的铰接式转动还用 来使圆柱形壁82有效的径向位移和挤压，将夹紧环80挤压到轴向 靠近应力上升点94的管端上。在图1至图4的实施例中，铰接式转 动是通过切槽98促成的，最好设置但不是必须设置的径向内圆周切 槽98轴向位于圆柱形部分72和82之间。切槽98应具有适当的形 状，使环80能以可控的方式塑性变形和损坏，使圆柱形壁82径向 挤压管端实现夹紧作用。这样的效果还可通过在夹紧环80的外壁部 分也设置切槽100而得到增强。可设计出夹紧环80的特定几何形状， 当配合帽52螺纹连接配合体54时，夹紧环即产生铰接式转动和塑 性变形，夹紧管端并在管端和锥形凸面开口或凸面88都形成密封。 标准设计程序如“有限元分析”可以用来根据可变因素如管子材料、 管子硬度和壁厚，以及需要的压力、温度和振动特性来优化夹紧环80 的几何形状。
夹紧环80的适当变形可以通过选择锥面88的合适形状来进一 步控制。这个表面与夹紧环80的锥形尖端相接合，将部分确定夹紧 环80铰接转动、挤压和塑性变形，使尖端部分恰当压入管子和提供 希望的夹紧即挤压动作的时机和方式。此外，凸面88的形状可以设 计成能够在夹紧环80尖端部分与锥面88之间实现希望的密封。这 密封对接头的整体性能至关重要，由于密封在夹紧环80与管端13 之间形成。
配合帽52和与它整体形成的夹紧环80可以用标准的机械加工 方法来制造，通常包括环钻工序以形成夹紧环80的外部轮廓，例如 第二切槽100。配合帽52的其它特征可以用已知的机械加工来实现。 最好但不是必需，配合帽52应包括扳手平面102，便于使用者将配 合帽52拧紧到配合体54上。本专业的技术人员将会很容易意识到， 接头50的使用只需要配合帽52与配合体54之间进行相对旋转，因 此在拉紧操作期间可以旋转两个部件的任何一个或旋转两个。
已经发现，凸面88最好形成相对接头50和管端13纵轴线X的 大约35°-60°的凸面角度θ。更好是，凸面88的角度θ是40°-50°，角 θ最好是大约45°。凸面88具有这样的角度范围与熟知的金属管接头 设计有很大的不同。通常使用的管接头的凸面角度是在10°-25°范围 内，与本发明相比，那是小得多的角度。较小的凸面角在现有技术 的接头中是必要的，因为金属环要沿凸面滑行较长的轴向距离。这 种较多的滑行使管子夹紧机构更加逐渐地径向变形压入管端，对管 子形成夹紧作用即压入管端。这种情况尤其会在不锈钢管上发生。 现有的管接头即使包括看来较陡的凸面角，但实际上只使用凸面一 小部分，而且不发生压入管中，由此限制了接头的抗压能力。而且， 现有技术的小凸面角损害了单金属环形成可靠密封的能力。与此形 成鲜明对照，本发明采用陡得多的凸面角θ，可使夹紧环的尖端部分 84在没有很长滑行的情况下实际上压入凸面88，由此形成良好密封。
在本发明的一些示例性实施例中，尖端部分84包括过渡到外圆 锥面86的圆角部分89。外圆锥面86的倾斜角度一般没有凸面88的 角度那样陡。外圆锥面86最好具有轴向斜度，朝向夹紧环80后端 径向尺寸逐渐增加。当拉紧时外圆锥面86与凸面88接触于很窄的 区域，或是线接触，接触区具有高应力并且材料产生压入，使夹紧 环80的前端压入凸面88。因此，术语“窄的线接触”无意排除外圆 锥面86与凸面88之间的接触区，但是更通用的概念是在凸面88最 里面或其附近范围的局部接触区，接触区有高应力以及外圆锥面86 与凸面88之间材料产生压痕(coin)。“压痕”简单地是指，通过 金属在金属上磨擦形成的窄圆周接触线，使得外圆锥面86与凸面88 之间形成气密的主密封，夹紧环80在圆角部分89与凸面88之间形 成良好的金属对金属密封。
重要的是要注意到，特定凸面角度的使用并不取决于表面88的 形状。换句话说，关键是在这个角度上夹紧环80前端接触凸面88 并与凸面形成密封。因此，凸面88的确可做成非截头锥的形状，如 图1和图2所示的凸起形状，但是密封仍须通过夹紧环80的前端接 触陡角度表面88来形成。凸面88另外的复合角或形状可以采用， 以更好地促成夹紧环80的铰接式转动和管子压入。
不管是否凸面88成为有复合角的表面，带有另外的角度较大或 较小的倾斜部分，用以促成夹紧环80的铰接式转动和压入管端13； 根据本发明的这个方面，都相是夹紧环80前端的密封部分(在示例性 实施例中是圆角部分89)在凸面88的陡角部分形成主密封，陡角度 部分相对接头50和管端13纵轴线X的角度θ的范围最好大约在35°- 60°，凸面角θ更好是40°-50°，最好是，主密封形成处的角度θ为45°。 最好尽管不是必需，主密封由夹紧环80前端与凸面88之间的线接 触型接合来实现。
较陡的凸面角具有额外的好处，可使管子夹紧机构80的尖端即 前部有更多的质量，相比之下，如现有技术的单金属环和夹紧环设 计的前部要接合较小的凸面角。这样增加的质量，加上铰接式转动， 可以使更多的材料位于或靠近管子压入94处。如与现有技术的单金 属环或夹紧环设计相比，这大大增强了管子夹紧机构的抗压能力， 同时也增强了夹紧作用力，由此可将压入与振动和温度影响隔离开。 铰接式转动还可以使管子夹紧机构的后端(即与尖端84相反的一端) 不接触管端，所以使整个管子夹紧机构处于轴向和径向的挤压中。
通常，对于要嵌入、压入和夹紧管端的管子夹紧机构来说，管 子夹紧机构必须比管端硬。对厚壁管来说更加如此。在现有技术的 小角度凸面开口中金属环有较长的轴向运动，这样即使金属环只是 稍硬于管子，金属环也能压入管子。如果在管子夹紧机构80只是略 比管端硬的情况下，此机构就不可能在陡角度凸面上令人满意地夹 紧管子，这是因为较陡的凸面角使管子夹紧机构在拉紧期间只有很 短的轴向移动范围。但是，根据本发明，通过使管子夹紧机构比管 子硬很多，就可以采用较陡角度的凸面，可以有效地促使管子夹紧 机构充分地压入管端将管子夹紧。
本发明的较陡的凸面角θ还使夹紧环80在拉紧期间的轴向位移 距离大大缩短。因此，尖端部分84需要以缩短的轴向位移即滑行进 行径向变形和挤压进入管端13。为了达到适当的管子夹紧，夹紧环 80最好进行表面硬化处理，使硬度至少达到管子材料硬度的大约3.3 倍。例如，如果管子材料是不锈钢，可能具有约200的维氏硬度。 因此，根据本发明的这一方面，当接头50用于这样硬的材料时，管 子夹紧机构应该至少淬硬至管子材料硬度的大约3.3倍。更好地，管 子夹紧机构应该至少淬硬至管子硬度的4倍。此外，整个夹紧环80 不需要表面硬化，只是尖端部分84有选择地进行表面硬化。
根据本发明的这一方面，当用于较硬的管子材料如不锈钢时， 配合帽52和配合体54的全部或局部可以淬硬或表面硬化，以提高 接头50的管子夹紧度。适用的表面硬化工艺已在一些美国专利中全 面介绍，如美国专利No.6,165,597和No.6,093,303，以及于2000 年元月28日提出的共同未决的专利申请No.09/494,093，专利名为 “改进的低温表面硬化处理(MODIFIED LOW TEMPERATURE CASE HARDENING PROCESS)”，由本专利的受让人提出。这些专 利文献公开的全部内容在文中充分引用参考。这些工艺过程使管子 夹紧机构的硬度达到约800至1000维氏硬度或更高，同时不会损害 接头的抗腐蚀性。但是如有需要也可以采用其它的表面硬化技术。 管子夹紧环80的表面硬化使夹紧环80对管子材料如不锈钢(包括双 炼不锈钢)有足够的夹紧和密封。以上引用的表面硬化专利还有额外 的好处，可使经过处理的夹紧环80的表面能够减轻或防止环80(与 配合帽52一起旋转)与管子间的磨损。
还可以给管子夹紧环80施加各种润滑剂以减轻摩擦和残余扭 曲，例如，PTFE(聚四氟乙烯)润滑脂，以及含有二硫化钼或二硫化 钨的润滑脂。
表面硬化技术通常使整个配合帽52和整体形成的管子夹紧环80 全都表面硬化。当对不锈钢进行表面硬化时，如上面参考的专利或 专利申请所介绍的，会形成一层附着的氧化膜。在本发明另一个实 施例中，可对不锈钢配合帽52的螺纹施加固体润滑剂以减轻拧紧期 间的摩擦以及减小拉紧扭矩。任何固体润滑剂可以用作这样的用途， 许多这样的固体润滑剂是已知的。几个示例，如石墨、二硫化钼、 二硫化钨和超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight poly- ethylene)。这些润滑剂可以单用，也就是不与其它材料混合，或与其 它材料(如树脂载体或同类物)混和。此外，它们可以固体形状使用， 包括粉末、颗粒和膏状。
这种类型的固体润滑剂是有名的商品，包括可从美国密歇根州 Midland市Dow Corning Corporation公司得到的Dow Corning321 干膜润滑剂，以及可从美国加利福尼亚州Monrovia市Trans Chem Coatings公司买到的Slickote干润滑剂100。
使用这些润滑剂可以采取任何标准的方法，如用手，用烟雾或 空气喷射装置或用自动设备。可以采用任何涂层厚度，只要达到润 滑性能。固体润滑剂厚度通常不要超过标准2级螺纹间隙。如果合 适，还可以将润滑剂加热以增强它的附着力。例如，有些润滑剂， 尤其是那些以树脂粘合剂形式供货的润滑剂，可以加热使粘合剂固 化。例如，Slickote干润滑剂100可以按照制造厂说明用300加 热1小时。
在本发明一个特定的实施例中，在一氧化碳作为碳源的条件下 进行了低温渗碳的不锈钢配合帽52使用以上介绍的干润滑剂。不锈 钢之所以不锈，是因为当钢与空气接触时本身形成一层氧化铬薄膜。 低温渗碳的不锈钢零件，如用AISI 316和316L不锈钢制造的零件， 通常会在零件表面留下一层积炭层。在使用前，通常通过清洗将积 炭去除。当低温渗碳采用一氧化碳作为碳源时，不仅是形成积炭， 而且还形成一层厚氧化膜。这层厚氧化膜与使不锈钢不锈的氧化铬 膜不相同，其既厚又不附着。因此，在零件使用前也要去掉此氧化 膜，使零件的渗碳表面露出来。
根据这一特定的实施例，在使用固体润滑剂前不去掉厚氧化膜， 而留在渗碳零件的表面，或者至少留在需要润滑的那一部分渗碳表 面。根据这一特定的实施例，已经发现这种厚的氧化膜具有天然的 多孔结构，可以起到将润滑剂粘结到零件表面的固定体作用。结果 是，润滑剂比没有氧化膜的情况附着得更好，因此在没有去掉氧化 膜的条件下润滑剂能够经受住反复的接头重装(就是将配合帽松开和 重新上紧)。
参考图5和图6，在本发明的另一实施例中，接头50’包括配合 帽52，它可能与上面介绍的配合帽相同。配合体54’作了如下的改动。 比如，配合体后端壁110轴向加长。采用了过渡部分112，将端壁110 连接到轴向锥形的凸面开口88。接头50’的其它方面与图1至图4所 介绍的接头50相同。轴向加长的端壁110造成配合帽的内肩部即环 形部分114在配合帽前壁66与配合体端壁68接合之前先轴向接触 到配合体端壁110。这种状态如图6的拉紧位置所示。换句话，自控 特性位于配合帽和配合体的后面部分，只要求对环形区和配合体后 端壁110的轴向长度有严格的公差控制，而在图1和图2的实施例 中，由于有较大数量的公差积累，在保证精确自控方面牵涉到过多 的尺寸和公差。
根据本发明，也提出了单金属环管接头。在设计单金属环管接 头时将会采用本文介绍的整体形成的配合帽和管子夹紧机构设计的 许多相同的概念和优点(现在的单金属环就是管子夹紧机构)，尤其是 这些特点：铰接式转动、管子压入、夹紧或挤压作用，相对管端的 高硬度比。因此，那些优点不用详细地重复，应该承认，整体形成 的配合帽和管子夹紧环的功能非常像本文所介绍的单金属环实施 例，只差别在金属环和带阴螺纹的配合帽整体形成。
图7、图7A和图8所示是本发明单金属环管接头181的实施例。 在这个实例中，金属环180是单独的零件，由此形成三件的接头181， 包括配合帽182、配合体184和单金属环180。此接头特别，虽然不 是绝对的，适合与不锈钢管配合使用。
配合体184包括带角度的凸面186，这个角度最好在上面介绍的 角度θ的范围内，最好是大约45°。单金属环180最好进行表面硬化， 达到约800维氏硬度或更高，即至少是管端13硬度的大约3.3倍。 金属环的前部分188包括圆角过渡区190，在接头拉紧期间过渡区接 触有陡角度的凸面186，与有陡角的凸面186形成线接触型主密封。 金属环的前部188包括径向的前端面188a，此前端面带有金属环的 前锐边192，用于压入管端13的外表面。金属环在压入管子部位会 塑性变形并产生径向延伸的肩部194。金属环180通过管子夹紧部件 80产生如上面介绍的铰接转动作用，由此金属环体的中央部分即中 间部分196径向朝里挤压，从而在管子压入处194或其靠近产生夹 紧或挤压。可以按需要选择金属环的特定几何形状，如上面介绍的 那样，有利于促成铰接式转动和管子夹紧压入以及夹紧动作，并如 上面涉及双金属环的有关专利中所介绍的。金属环180还可以带有 内圆周切槽或凹槽198，以促进铰接作用；以及带有如上面介绍的锥 形外壁200。金属环180包括后锥形壁202，此壁在拉紧期间受到配 合帽肩部204的驱动。金属环180还包括中心纵向的基本为圆柱形 的孔部分206，此孔处于前端188a与凹槽198轴向之间。最好是， 锥形尖端部分208倾斜在拉紧期间能保持不与凸面接触，这样有利 于形成线接触的主密封。
处于金属环后端202与凹槽198轴向之间的圆柱形孔206a可以 与前圆柱形部分206有同一直径或不同直径。此外，铰接转动作用 可以使拉紧后的内圆柱形孔的后端部分206a保持径向与管端13隔开 并脱离接触。
单金属环180经过淬硬或表面硬化处理，使硬度达到至少是管 端13的大约3.3倍，最好至少是大约4倍。可以参考上述关于表面 硬化的专利以得到适用的工艺，虽然如有需要可以采用其它工艺。
因此单金属环接头181通过对金属与金属的密封采用较陡的凸 面角、比管子硬很多的金属环以及强力的管子夹紧压入动作，能提 供与现有技术的单金属环接头设计相比优良的管子夹紧和密封功 能。与管子硬度相比硬很多的金属环即使采用较陡的凸面角也可以 达到优良的管子夹紧，而较陡的凸面角有利于金属与金属的密封。
已经参考最佳实施例对本发明作了详细介绍。显然，在阅读和 理解此说明书后，所属领域的技术人员将能够进行改进和提出变化 方案，本发明的附后的权利要求或权利要求等同物的范围包括所有 这些改进和提出的变化方案。
相关申请
本申请要求具有于2001年2月6日提出的美国临时专利申请No. 60/266,735的优先权，该申请名为“具有整体配合帽和金属环的管接 头(TUBE FITTING WITH INTEGRAL NUT AND FERRULE)”，本文 引用参考该申请的全部内容。