隔爆型电气设备引入装置夹紧密封试验方法

隔爆型电气设备引入装置夹紧密封试验方法
陈宁
【摘要】密封圈式引入装置在隔爆型电气设备中使用非常广泛,其夹紧密封性能是影响电气外壳隔爆性能的重要因素.阐述了隔爆型电气设备引入装置的基本构成,并针对夹紧密封及机械强度试验要求,以国标为依据,对试验中的问题进行探讨和研究.【期刊名称】《煤矿机电》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】4页(P90-93)
【关键词】引入装置;密封圈;夹紧密封试验
【作者】陈宁
【作者单位】中国煤炭科工集团太原研究院有限公司,山西太原030032
【正文语种】中文
【中图分类】TM206
0 引言
电缆引入装置是隔爆型电气设备的重要组成部分，其夹紧与密封性能的审查和试验是考核产品防爆性能的重要部分之一。

标准GB 3836—2010 规定了电缆引入装置试验考核方法，试验安装过程产生的偏差影响样品性能的评判。

本文在分析相关标准要求的基础上，结合实际工作，着重探讨隔爆型电气设备密封圈式引入装置的防爆性能及夹紧密封等试验方法。

1 隔爆型电气设备引入装置简介
按标准GB 3836—2010 的规定，常用的电缆引入装置根据密封材料的不同可分为密封圈式和填料密封式两类。

由于密封圈式电缆引入装置具有易于安装与拆卸的优点，生产和使用都较广，本文着重以该类引入装置作为研究对象进行探讨。

密封圈式电缆引入装置是通过挤压弹性密封圈使其变形来固定和密封电缆的。

通常密封圈由硫化橡胶或硅橡胶制成的，在压紧体的压紧过程中，弹性密封圈均匀膨胀，与联通节和电缆紧密接触，从而隔绝外界可燃气体进入壳体，达到防爆要求。

根据压紧件的形式，可分为压紧螺母式和压盘式两类，分别如图1、图2 所示。

2 引入装置试验
根据标准GB 3836—2010 时要求，引入装置必须进行夹紧、密封及相应的机械强度试验。

通过试验了及时发现设计隐患，排除外界不利因素，从而提高设备的防爆安全性能。

2.1 引入装置夹紧及机械强度试验
为了保证通过引入装置电缆的牢固性，防止电缆被外力拨脱或扭转，引入装置须通过GB 3836.1—2010《爆炸性环境第1 部分:设备通用要求》附录A中规定的电
缆引入装置夹紧及机械强度试验。

图1 不带防止电缆拔脱装置型压紧螺母式引入装置结构图1-隔爆外壳;2-密封圈;3-堵头;4-金属垫圈;5-联通节;6-压紧螺母
图2 压盘式电缆引入装置结构图1-隔爆外壳;2-密封圈;3-堵头;4-金属垫圈;5-联通节;6-螺栓;7-螺栓;8-压板;9-压盘
夹紧试验在(20 ±5)℃环境温度下进行。

首先将引入装置密封圈安装在直径等于密
封圈所允许最小直径的金属芯棒上(金属芯棒表面要求清洁、干燥且最高表面粗糙
度Ra 为1.6 μm)，然后将带芯棒的密封圈装入电缆引入装置，对压紧螺母(压紧螺母式)或螺栓(压盘式)施加一定的力矩以压紧密封圈，以防止芯棒或电缆转动。

按
照电缆的类型对其相应芯棒施加不同的拉力，并持续6 h。

对于圆形电缆的引入装置，施加20 倍芯棒或电缆直径。

对于非圆形电缆的引入装置，施加6 倍电缆周长。

经上述试验步骤后，若芯棒或电缆样品位移量小于6 mm，则认为该引入装置的
夹紧性能试验合格。

夹紧性能试验合格后，对样品进行机械强度试验:对压紧螺母(压紧螺母式)或螺栓(压盘式)施加夹紧试验中防止芯棒松动的1.5 倍力矩后，拆下电缆引入装置并对相关元件进行检查。

若未发现任何影响防爆形式的损坏，则认为该引入装置夹紧试验的机械强度试验合格。

2.2 引入装置密封及机械强度试验
根据GB 3836.2—2010《爆炸性环境第2 部分:由隔爆外壳“d”保护的设备》附录C 要求，应对电缆引入装置所允许的密封圈进行密封及机械强度试验。

密封试验在(20 ±5)℃的环境温度下进行。

首先把密封圈安装在相应的金属芯棒上(金属芯棒要求与夹紧试样相同)，将带芯棒的密封圈安装在引入装置密封试样台上，对样品压紧螺母(压紧螺母式)或螺栓(压盘式)施加一定的力矩以压紧密封圈。

该力
矩应能够使样品对于I 类产品在2 000 kPa、Ⅱ类产品在3 000 kPa 液压下保持密封至少10 s。

若无任何泄漏痕迹，则认为密封试验合格。

密封试验合格后，便进行机械强度试验:向压紧螺母(压紧螺母式)或螺栓(压盘式)施加2 倍于密封试验所需的力矩，且该力矩对于压紧螺母式引入装置，至少为圆形
电缆最大允许直径值(mm)的3倍或非圆形电缆最大允许电缆周长值。

对于压盘式，至少等于表1 中相应螺栓规格对应的力矩值。

拆下电缆引入装置并检查元件，若
未发现任何影响防爆形式的损坏，则认为该样品密封试验的机械强度试验合格。

表1 引入装置密封机械强度试验按螺栓规定力矩值表
3 试验中弹性密封圈受力分析
按标准GB 3836—2010 的规定进行试验考核，实际操作过程中，往往不易把握压
盘对密封圈的压紧程度:即若对压盘施加力矩过小，会使密封圈无法对电缆起到正
常的固定及密封作用。

若对压盘施加的力矩过大，则可能会出现密封圈端面被切出裂纹、同心层连接部分断裂发生相对位移，甚至沿横截面完全断裂等现象，这样会引起电缆的拨脱或扭转，严重影响引入装置的防爆性能［1］。

为避免上述情况的发生，通过对密封圈安装过程中的受力分析，并结合实际检验工作进行深入讨论。

当引入装置密封圈未被压紧时，密封圈如图3所示(其中A0和D0分别为其轴向
和径向长度)。

当密封圈被压盘压紧时，受到径向压力作用而发生形变，如图4 所示。

此时密封圈夹紧电缆，其夹紧抗拉能力可以用电缆与密封圈的相对摩擦力F
表示:
式中，p 为密封圈对电缆的单位压强;f 为相对摩擦因数;Ax为密封圈在受压后密封
高度;d 为电缆外径。

图3 未压紧引入装置密封圈结构简图1-电缆;2-压盘;3-垫圈;4-密封圈;5-壳体
图4 压紧后引入装置密封圈结构示意图
对于确定规格的电缆，且d 和f 为常量，影响夹紧能力的因素只有单位压强p 和
密封长度Ax:当压盘施力于垫圈后，密封圈轴向压缩，Ax值逐渐变小，同时密封
圈径向膨胀，接触面单位压强p 随压缩过程逐渐增大。

图5 和图6 分别为密封圈在整个压缩过程中，密封长度Ax和单位压强p 分别与
压盘安装扭矩M的关系定性分析图，M 表示安装时对压盘的扭矩值。

从两图看出，第一阶段为密封圈在压缩工程中的正常工作状态，在此阶段密封长度Ax减小相对较慢，单位压强p 增加速度较快，密封圈夹紧力随压盘压紧力的增加逐渐增大，
能较好的固定并密封引入电缆;第二个阶段为压缩的临界值状态，此时密封圈弹性
形变量基本达到极限，Ax和p 随压紧力的增加变化量不大，密封圈夹紧力随压盘压紧力的增加基本不变;当压缩过程处于第三阶段，施加的压力达到密封圈橡胶材
质的极限抗张应力，其与垫圈接触部位的边缘处开始产生裂痕，表面开始向外翻起。

此时Ax随压力增大而急剧减小，p 基本不变，密封圈夹紧力变小。

如果此时继续施加压力，就可能会出现密封圈结构损坏导致电缆的拨脱或扭转现象。

图5 压缩过程中Ax与M 关系示意图
图6 压缩过程中p 与M 关系示意图
4 试验方法的探讨
为了保证试验的质量，反应密封圈样品在常规装配工艺下的防爆性能，目前较通用的方法是逐渐加大试验力矩的试探法［2］。

4.1 通常试验方法
1)夹紧试验。

引入装置固定在拉力试验装置上，逐渐拧紧压盘的螺栓或压紧螺母并施拉力于芯棒，其拉力为芯棒直径的20 倍。

测定在芯棒不发生位移时施加于螺栓或压紧螺母的力矩值。

以所测力矩值的1.1 倍力矩继续拧紧螺栓或压紧螺母，以该值为最终夹紧试验力矩值。

2)密封试验。

引入装置安装在液压试验装置上，使用着色水作为液压介质进行试验。

缓慢升高液压，同时拧紧压盘的螺栓或压紧螺母使液压达到2 000 kPa而无泄露
痕迹，以该力矩值作为密封试验力矩。

4.2 探索新的试验方法
上述试验方法在实际试验过程中可较准确的测取夹紧和密封性能的试验力矩，较好地反映结构的夹紧密封性能，但操作过程较为繁琐。

经过对各型号密封圈的试验，结合相关资料验证，发现对于大多数引入装置，其夹紧试验所需力矩大于密封试验力矩，而夹紧试验机械强度试验力矩(夹紧试验力矩的1.5 倍)，一般小于标准GB 3836.2—2010 中附录C 中规定的对于每种规格引入装置密封试验按螺栓或电缆
的直径规定的机械强度试验最小力矩［3］。

根据此规律，可以得到以下的试验简化方法。

4.2.1 简化试验方法
试验时，安装引入装置的力矩参考密封机械强度试验要求，以稍高于螺栓或电缆的直径值规定的最小力矩值的1/2 进行。

对于既要做夹紧试验又要做密封试验的样品，由于密封机械强度试验力矩(2 倍于安装力矩)大于夹紧机械强度试验(1.5 倍于安装力矩)，可在密封试验后直接用螺栓或电缆的直径值规定的最小力矩值进行机械强度考核，若样品各构件满足要求则合格。

这样可避免逐渐拧紧压盘的螺栓或压紧螺母的摸索步骤，提高了一定的强度裕量，又保证了试验的从严性和合理性。

4.2.2 简化试验法与试探法试验对比
为了验证上述方法的可行性，选取各类型不同规格引入装置，采用简化方法和试探法分别试验，并进行了对比，这里以压紧螺母式A4 和压盘式B2 引入装置为例进行介绍。

1)选取20 支全新的不同厂家A4 密封圈，其轴向高度均在20～22 mm 之间，邵氏硬度值均大于45°。

使用密封圈所允许引入的最小直径(13.1 mm)的电缆样品分别进行试验进行对比。

(1)取其中10 支密封圈采用简化方法进行试验:参考GB 3836.2—2010 附录C 中密封机械强度试验中要求，压紧原件上施加的力矩应为电缆直径的三倍即为39.3 N·m，按照简化方法选取力矩值，取20～23 N·m。

试验结果为:8 支引入装置密封圈通过夹紧、密封及机械强度试验，而引入装置的其他构件在机械强度试验后均能满足要求。

(2)取另外10 支A4 密封圈采用试探法进行试验，测得的密封圈夹紧时的力矩均值约为19.6 N·m。

试验结果为9 支密封圈全部通过试验，1 支未通过夹紧试验。

而未通过试验的密封圈与本文简化方法中未通过的密封圈属相同厂家生产。

2)取24 支全新的不同厂家B2 密封圈，其轴向高度均在32～33 mm 之间，邵氏
硬度值均大于45°，同样使用密封圈所允许引入的最小直径(29.6 mm)的电缆样品分别进行试验进行对比:
(1)取其中12 支密封圈采用简化方法进行试验:引入装置压盘紧固螺母规格为M10，参考GB 3836.2—2010 附录C 中密封机械强度试验中要求，按照本文所述简化
方法选取力矩值，取20～25 N·m。

试验结果为:全部通过夹紧、密封及机械强度
试验，引入装置的其他构件在机械强度试验后均能满足要求。

(2)取另外12 支B2 密封圈，采用试探法试验进行对比，测得的密封圈夹紧时的力矩均值约为21 N·m，且该10 支密封圈全部通过试验。

4.2.3 对比分析
通过上述两例对比试验可以看出，按照简化的试验方法，试验结果与通用的逐步试探法能够保持一致，可以较好地反映出样品正常使用的防爆性能，且适用合理，简化了繁琐的试验步骤。

值得注意的是，对于不能满足上述简化条件的引入装置，仍须按照逐渐加大试验力矩的试探法进行。

但为了保证引入装置在试验过程中时能充分体现其夹紧与密封性能，建议生产厂家提供各型号引入装置的安装力矩值以供参考，这样既可保证夹紧与密封的可靠性，又能防止密封圈、联通节等结构不因机械应力过大而损坏，破坏其防爆性能。

5 结语
为了保证在引入装置的夹紧、密封及机械强度试验中能更准确合理地选择有关参数，本文介绍了电缆引入装置的结构，并结合相关标准提出了较合理的试验简化方法，既保证了试验的严格性和科学性，又避免了繁琐的步骤，同时提出对不能满足简化试验方法的引入装置，仍须按逐渐加大试验力之随的试样法进行，以保证引入装置的防爆安全性能。

参考文献:
［1］李淅滔.橡胶密封圈硬度对引入装置夹紧及密封性能的影响［J］.电气防爆，
1999(3).
［2］GB/T 13953—1992，隔爆型防爆应用电视设备防爆性能试验方法［S］. ［3］邹盛贵.电缆引入装置性能试验机和样机检验探讨［J］.电气防爆，1992(1). ［4］李双会.对矿用隔爆型电气设备密封圈式引入装置防爆性能的分析［J］.煤炭科学技术，1992(4).。