高压聚四氟乙烯软管组件金属接头的设计

2010-10-13张园春

上海化工 2010年6期

关键词：抗拉内管聚四氟乙烯

张园春

上海市塑料研究所（上海 200090）

高压聚四氟乙烯软管组件金属接头的设计

张园春

上海市塑料研究所（上海 200090）

金属接头的设计对于高压聚四氟乙烯软管组件的性能优劣至关重要。针对软管组件的失效模式，分别在金属接头的材质、壁厚、长度、外径、抗拉脱段、安装倒角、槽深、密封筋的宽度、表面粗糙度等九个方面进行阐述，说明接头设计的各方面注意事项，为高压聚四氟乙烯软管组件的金属接头设计和改进提供了参考。

软管组件金属接头设计

0 引言

高压聚四氟乙烯软管组件（以下简称软管组件）通常由聚四氟乙烯内管、不锈钢丝增强层和金属接头（包括螺母、套筒、接头）组成，如图1所示，广泛应用于设备的液压、冷气系统中，通过传输气液介质达到压力和能量的传输。在脉冲试验或实际使用过程中，由于设计或制造的原因，加上受到高温、低温、工作介质的压力脉冲等因素作用，软管组件存在着钢丝层断丝、内管爆破、软管在接头处泄漏（如图2所示）等问题，对设备安全造成严重隐患，由于软管破裂致使液压系统的压力丧失从而引发事故的事例屡见不鲜。

图1 软管组件结构示意图

图2 软管在接头处泄漏

影响软管组件质量的因素有聚四氟乙烯内管的性能、增强钢丝的增强角、软管与增强钢丝层之间的张力配合、软管装配时的扣压量以及接头的结构形式等，其中以接头的结构形式影响最为显著。

本文主要通过对接头设计的阐述，来表达接头的结构形式对软管组件性能的影响。

1 接头结构形式的分类

目前我国研发的21 MPa等级的软管组件，根据产品规格的不同，接头的结构形式主要分为三类，分别为：倒刺式（见图3）、多槽式（见图4）和疏密槽式（见图5）。一般较小规格（Ø＜5 mm）选用倒刺式结构，中间规格（5 mm＜Ø＜10 mm）选用多槽式结构，较大规格（10 mm＜Ø＜14 mm）选用疏密槽式结构，而到了更大规格（14 mm＜Ø＜20 mm），又是选用多槽式结构。

上述三种接头形式，从本质上来讲，主要起到两方面的作用，一是抵抗金属接头与软管管体之间在使用中脱落，二是保证软管组件在长期高压情况下的使用中保持密封，防止介质不会在接头与管体连接部位泄漏。

注：图3～图5所示的接头，为了叙述明确，本文中约定其左边为头部、右边为尾部。

本文以结构形式较为复杂的疏密式接头为例，阐述接头结构的设计。

2 由于接头设计不合理造成的故障现象

接头的结构设计至关重要，这是软管组件的技术核心所在。而在实际操作中，接头的设计往往不能很好地把握各种关键点，便会造成各种失效。由于接头设计的不合理而造成的失效现象最为普遍的主要有扣压处内管出现纵向裂纹和环向裂纹两种，其他的故障现象也有，但是并不常见。

2.1 扣压处内管出现纵向裂纹

在套筒扣压部位的尾端，内管出现纵向微小裂纹，一旦裂纹贯穿，便会造成软管组件失效。这一故障是在实际生产中遇到的最为普遍的故障，解剖后故障点如图6所示。

2.2 扣压处内管出现环向裂纹

如图7所示的环向裂纹，在实际使用和试验过程中也是较为常见的故障现象之一。内管出现了环向裂纹之后，此处便会成为薄弱环节，随着环向裂纹的逐渐扩展，往往会在此处形成泄漏点，导致软管组件失效。

2.3 其他故障

除了以上两种主要的故障现象之外，也有内管出现爆破小孔、接头拉脱等，但是作为由于接头结构设计造成的故障并不常见。

3 接头的设计

本文所述的接头设计前提是内管性能达标和增强效果能够满足要求，且内管选用T6C原料，增强丝选用不锈钢丝（纤维增强或其他材质的增强软管在本文中不进行研究）。

3.1 材质

软管组件的总成是通过套筒、内管的扣压变形而达到，内管的变形量一般控制在20%～40%为宜，设计中，套筒在扣压时壁厚的变化可忽略不计，仅起到固定接头和软管并促使其密封的作用。

基于软管组件的总成工艺，在扣压工序中，接头要起到一个支撑作用，承受来自于扣压机的压力。如欲在扣压中保持接头设计时的结构和尺寸不变或基本不变，就要求其材质应具有相当的硬度。

软管组件在使用过程中，经常会承受较为苛刻的脉冲作用和比较剧烈的振动，故接头材质在拥有相当硬度的同时，还不能具有脆性。

一般情况下，作为接头材质，其硬度HB应不小于300，断后伸长率δ5应不小于8%。

由于接头呈中空的管体，受力后中间部位必然会或多或少地出现变形。经过实践验证，扣压过程中，接头的变形量在0.2 mm以内基本不会影响产品性能。

3.2 壁厚

壁厚因素与3.1中的材质问题基本相同，根据不同的材料、不同的扣压量设计不同的接头壁厚，以扣压后不改变接头的结构和尺寸为设计原则。

如果壁厚较大，会造成产品重量增加，且在介质流经此处时流阻增加；如果壁厚较小，则难以保证设计的实现。设计者可以根据实际使用情况、设计要求、材质情况等因素设计壁厚尺寸。

3.3 长度

从设计角度来讲，接头越长越好，越能够很好地起到密封作用和抗拉脱作用，但是却不利于使用。在使用中，软管组件一般要求软管在离开套筒约25 mm以内最好保持与套筒处于同一直线，即不要弯曲，这在使用条件比较苛刻或安装环境不是很宽裕的情况下，很难满足使用要求。故在设计接头时，接头的长度最好保持适中。

尾部密封槽的主要作用是密封，一般情况下，需要2～3条密封槽，设计时建议给出安全系数，安全系数一般取1.5～2.0。

头部槽的主要作用是抗拉脱，此处扣压时内管的变形可以适当大一些。抗拉脱槽一般需要3～4条，设计时建议给出1.2～1.5的安全系数。

值得说明的是，起密封作用的槽和起抗拉脱作用的槽并不是截然分开的。尾部的槽在起到密封作用的同时，也能起到抗拉脱作用，而头部的槽在密封槽合理设计的情况下，基本只起到抗拉脱作用。设计时，两者的数量要综合考虑。

3.4 外径

外径指的是接头的大外径，直接与内管接触的表面。

外径的设计原则是比增强后的软管内径尺寸略大0.1～0.5，根据软管的规格和实际情况选择具体大多少。如果外径偏小，一方面在装接头时不易固定，另一方面，扣压后内管成较明显的阶梯状，即扣压段与未扣压段外径差距较大，容易造成失效。如果外径偏大，在装配接头时会比较困难，容易造成增强钢丝的松散，影响增强效果。所以，接头的外径尺寸在设计时也必须在细节上予以考虑。

3.5 抗拉脱段

抗拉脱段的长度在3.3中已经述及，此处不再赘述，只是在设计抗拉脱段的长度时不要忽略了密封段也具有抗拉脱的作用。

设计抗拉脱段的槽深时，根据各规格软管组件的内管壁厚，在保证不损伤内管的前提下，槽深可以适当深一些，扣压量较密封段略大一些。

抗拉脱段的设计可以通过爆破试验来验证。在爆破试验中，软管组件的爆破点如果在管体上，证明抗拉脱段的设计比较合理，如果在接头扣压部位，证明接头设计或扣压量的计算存在缺陷。

3.6 安装倒角

设计接头时，在最尾端应设计一定角度的倒角，以便于生产中的接头安装。

安装倒角有两种形式，一种是锥度倒角，一种是圆角倒角。

对于锥度倒角，如图8所示，比较适合于较大规格的软管或接头长度较大的软管，其锥度值A一般设计为8°～15°。

对于圆角倒角，如图9所示，比较适合于较小规格的软管或接头长度较短的软管。

3.7 槽深

此处的槽深，指的是密封段的槽深。

槽深是一个非常重要的参数，是接头外部底径与外径之间的距离，即各槽的深度。2.1中所提到的内管出现纵向小裂纹，其主要产生原因即槽深设计不合理所致。如果槽深偏小，则不能达到密封的作用，介质会穿过接头与内管之间的空隙泄漏，导致软管组件的失效。如果槽深偏大，内管在扣压后由于变形过大，便已经存在了微小裂纹（在30倍的显微镜下观察），经过一段时间的使用或试验后，内管便会产生如图6所示的纵向小裂纹导致软管组件泄漏，目前，软管组件的失效绝大多数属于这种故障。

目前我国研发的软管组件，其内管壁厚在1.0～2.0mm之间，建议其设计槽深控制在0.2～0.3 mm，既能保证扣压后的密封，又能保证扣压后内管不会形成微小裂纹。