聚氨酯软管抗划伤性能检测方法的设计与探讨

郭　奎

（92117部队，北京 100072）

聚氨酯软管抗划伤性能检测方法的设计与探讨

郭奎

（92117部队，北京 100072）

基于聚氨酯软管的使用环境，模拟地面尖锐物体对聚氨酯软管的划伤，研究软管的抗划伤性能，可为新材料的研究开发提供可靠的试验数据和研究方向，从而改进聚氨酯软管内外胶层的生产工艺，提高聚氨酯软管的抗划伤性能。

聚氨酯；软管；抗划伤

聚氨酯软管由于其具有单根长度大、盘卷方便,且体积小、重量轻、铺设方便、机动灵活性强等特点，目前广泛应用在石油产品、化学液体、水等正压输送，可用于近海石油及泥浆等输送、农田灌溉、城市消防等。随着其应用范围的进一步扩大，聚氨酯软管的使用环境也越来越苛刻，布设充满液体的聚氨酯软管使用时易受到砂石地、海滩等地的尖锐物体的摩擦，外表面受到的划伤较为严重，尤其是在无码头的海滩使用时，由岸到海或由海到岸铺设聚氨酯软管进行油或水的正压输送，亦受海浪潮汐等影响，与岸海交界处砂石进行不断的划蹭，易造成软管的损坏。

目前国内外有些关于划伤的标准或试验在涂料领域应用较为广泛，如：GB/T 9279（参考ISO 158：1922制定）是测定漆膜抗划透性能的实验方法；在ISO标准和ASTM标准中耐划伤性测试方法有：ISO 12137—1：1997《色漆和清漆—耐划伤性的测定—第1部分：用弧形划针的方法》、ISO 12137—2：1997《色漆和清漆—耐划伤性的测定—第2部分：用尖顶划针的方法》、ASTM D 5178—98《有机涂层抗划伤性》。GB/T12721是对橡胶软管外胶层耐磨耗性能的测定。

1　试验装置和试验方法的研究

抗划伤试验是根据砂石地或无码头海滩的实际损伤情况模拟设计的，能够客观真实地再现使用过程中的划伤痕迹及软管表层的机械损伤。

1.1试验装置的基本要求

为了使试验室的测试能够充分模拟现场的实际情况，并能对软管外胶层的抗划伤性能有一个评价，该设备应用杠杆原理对刀头进行配重模拟现场划伤力，运用偏心轮拉动载荷装置模拟现场划伤过程，使用刀头模拟海边或船上的海砾子、砂石、尖锐棱角等坚韧的划伤物体。

根据模拟情况，研究制作了抗划伤性能检测装置（如图1所示），该装置主要有充压装置、加载装置、刀具、运动机构、计数器、控制系统和支架等组成。加载装置给刀具一个正重量压力，该力直接作用在正下方的测试样品上。刀具在一定重量压力下和样品做相对运动，对样品表面产生划伤试验。试验装置可以对不同尺寸的软管进行测试，也可多次测量，通过控制系统记录软管划破后刀具的往复划动次数，依此表征软管的抗划伤性能。

图1　软管抗划伤性能检测装置示意图

在刀具的实验中，设计了在圆柱面上加工制造菱形尖锐突起，并使之成序列排列的一种特殊刀具（结构如图2）。这样做既可以解决单纯突起的尖状形式强度不够的问题，也以弧面的相对运动减缓了平面的相对运动，可解决运动后期亦可继续进行划伤实验的问题。而且刀具底面与软管顶面成两弧型垂直相切运动，随着实验的进行，突起物沿弧型方向逐渐以不同角度接触软管，更接近在海上释放软管时，因海况不同而受力方向不同的情况。

图2　刀具设计图

在设计刀具时，结合实际工况条件，对刀具、局部压强、划轨速度以及刀具齿形的角度、深度、间距进行了各种不同的计算和实验。使其可在最大程度上模拟聚氨酯软管在使用过程中被各种尖锐物、砂石等粗糙物体划伤的情况。由于本装置采用往复式运动，考虑到两个方向均需运动以及刀具齿形的强度问题，采用了90°的菱形尖锐突起物。深度从0.1~2.0 mm均进行了实验。实验中发现，采用深度过小刀具实验时，外胶层划破后的粉末以及纤维层划破后的碎片虽有大部分随刀具的移动掉落在下托盘中，但仍有一部分黏附在刀具上，且用普通吸尘设备无法清理干净。而深度过大的刀具，在加工中无法在菱形突起上倒出圆角，致使刀具损坏过快，无法在今后的实际实验中形成标准加工方式，不具备可操作性。因此，在多次计算和实验对比后，最终确定了约0.7 mm深度的刀具，以此模拟砂石地或海滩上的尖锐物体。

1.2检测方法的基本要求

抗划伤性能检测方法是将软管样品与刀具做相对运动，将试样内压、载荷重量、行程和相对运动速度以及环境条件加以限制。对软管试样冲液压，使其达到一定压力，并检查软管是否有遗漏现象，用一定重量的载荷施加在刀具上，使刀具接触软管样品表面，开启控制系统拖动运动机构使刀具和软管试样做相对运动。观察试样的划伤情况，通过划伤次数的比较来说明软管的抗划伤性能。

在试验过程中，参照了HS2001型抗划伤测试仪的研究过程中的实验数据，确定影响划伤效果的元素从大到小的排列顺序为：划伤物的尖锐程度、划伤力、环境温度、划伤的速度。其中划伤速度的差值小于因环境和重量引起的误差，因此可以忽略不记。

在试验过程中，模拟了软管在岸滩使用过程中软管绞车的最大展开速度，因此规定了刀具与试样间在有效行程内的相对运动速度为400±10 mm/s。在试验室中软管样品的长度为400 mm，运动机构的最大行程为不小于160 mm，有效行程为120±5 mm，检测在室内进行，其环境温度应为23±2 ℃，相对湿度应不大于98%（在23 ℃时）。

1.3检验计算

为了更好地模拟新型软管的工作环境，使管内液压达到一定的压力，在实验过程中采用水泵向软管内充水使其膨胀。

由压强公式P=F/S

其中：

F——压力，N；

S——接触面积，cm2；

P——压强，N/cm2。

其中本实验中压力由载荷配重施加为：

式中：

m——载荷重量，kg；

g——重力加速度，N/kg；

S——接触面积，当刀具完全接触软管时为刀具的面积。

式中：

L——刀具长，cm；

W——刀具总宽，cm；

当刀具刚接触时只有刀具齿形和软管接触，S2为刀具齿形的面积：

式中：

L——刀具齿形长，cm；

W——刀具齿形宽，cm；

n——刀具齿形个数。

所以由载荷施加给软管的压强分别为：

P1=F/S1=98 N/9 cm2=10.9 N/cm2；

P2=F/S2=98 N/0.05 cm2=1 960 N/cm2。

因此当刀具与软管完全接触时管内水压P>110.9 N/cm2（0.11 MPa），不会导致软管塌陷。而且即使当载荷施加给软管的压强大于管内水压时，由于管内水是不可压缩体，管内压强各处相等，软管会由圆形变为椭圆形。本实验过程中刀具齿形与软管的接触面积很小，软管变形很小。因此，此处软管变形可以忽略不计，仍认为为圆形。也就是说管内液体压力只要保证将软管充圆即可，管内压力大小对本实验结果并没有过多影响。由于聚氨酯软管的额定工作压力为0.6 MPa和1.0 MPa。在实验过程对软管内充0.6 MPa、1.0 MPa均做了实验，由前面论述和实验结果表明两者差别不大，因此本方法最终选择水压为0.6±0.05 MPa，也可使实验数据更接近实际使用情况。

根据上述计算结果，当刀具与软管刚接触时产生的压强P2为1 960 N/cm2，也更能证明了刀具对软管起到了一定的划伤效果。

2　结果与讨论

试验样品选用几种不同的聚氨酯软管进行模拟试验，包括新型聚氨酯软管，加强型聚氨酯软管和通用型聚氨酯软管三种。

聚氨酯软管的抗划伤性能测试反映了现场实际应用情况，能够更好的模拟沙质地貌对软管的划伤和磨损情况，进而用试验室测试数据反映不同性能的软管之间的区别，最大程度上模拟使用过程中各种尖锐物、砂石等粗糙物体对软管的划伤。

表1　抗划伤试验测试数据表

通过研究软管的抗划伤性能，可为新材料的研究开发提供可靠的试验数据和研究方向，以进一步改进聚氨酯软管内外胶层的生产工艺，选择合适的聚氨酯为内胶层胶料，增强纤维层的强度。聚氨酯软管在使用过程中一旦被划破需用快速接头连接作应急使用，从而对盘卷的空间和软管盘卷整齐性有较大影响，严重时甚至整根报废。选择合适的生产工艺和提高原材料的抗划伤性能避免聚氨酯软管在使用过程中的浪费和不必要的损失。

(XS-04)

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燕丰供稿

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燕丰供稿

Design and discussion of polyurethane hose scratch resistance detection methods

Design and discussion of polyurethane hose scratch resistance detection methods

Guo Kui
(Unit 92117, Beijing 100072, China)

Based on the use environment to simulate a sharp object to scratch the surface of polyurethane hose, the paper studies the scratch resistance properties the hose. Such studies can provide reliable experimental data and research directions for research and development of new materials, thus improving manufacturing processes of internal and external layer of polyurethane hose, improveing the scratch resistance properties of polyurethane hose.

polyurethane; hose; scratch resistance

TQ320.77

1009-797X(2015)10-0031-04

B

10.13520/j.cnki.rpte.2015.10.005

郭奎（1980-），男，工学硕士，主要从事海上补给工作。

2015-02-14