35 MPa超高压聚四氟乙烯软管组件增强结构设计

郭赟亮

上海市塑料研究所有限公司 （上海 200093）

通常情况下，聚四氟乙烯内管的耐压压力为0.5～2.5 MPa，而聚四氟乙烯内管经不锈钢丝增强后，其工作压力可以达到21 MPa或更高。因此，不锈钢丝增强技术是软管组件的关键技术之一。

目前，国内市场上橡胶管的压力等级已经覆盖超高压等级（28 MPa以上），但聚四氟乙烯软管组件（以下简称“氟塑料软管”）尚无超高压等级的成熟产品。主要原因是氟塑料软管表面摩擦系数小，增强层材料在耐压时容易滑动，导致氟塑料软管失效。随着航空、航天领域的飞速发展，氟塑料软管的应用逐渐向超高压领域深入，对超高压氟塑料软管的需求已经迫在眉睫。

本文主要涉及一种35 MPa超高压软管组件的增强结构设计，该结构可以弥补市场上氟塑料软管在超高压等级的空白。在满足超高压等级要求的基础上，还具有重量轻、寿命长、不易老化、柔韧性高等优点。

1 概述

1.1 软管组件结构

氟塑料软管由导电的聚四氟乙烯内管，不锈钢丝增强层，金属连接件（接头、螺母、套筒）组成，其结构如图1所示。

1.2 不锈钢丝增强结构

不锈钢丝增强的承压等级取决于钢丝增强结构和增强参数。

图1 氟塑料软管结构

增强结构有编织和“缠绕+编织”两种形式。缠绕结构与内管外表紧贴性好、钢丝排列均匀、无应力集中点、耐压性能良好，但该结构的固定性较差，易产生位移，影响整体的耐压性能。编织结构具有固定性好、重量轻等优点，但其交叉式的钢丝形式易产生应力集中点，编织层与内管外表贴合的紧密程度也不如缠绕层。

增强参数主要有增强直径、增强行程等。增强直径是根据内管尺寸和增强钢丝直径计算得出，增强行程是根据增强直径和设计增强角度计算得出。

单从理论上考虑，增强层越多，钢丝根数越多，软管组件的承压效果也越理想，但实际研制过程中需同时兼顾软管重量和弯曲半径等技术指标。因此，增强层的设计理念是在满足软管组件技术指标的前提下，采用层数最少、结构和参数最合理的增强层。

本文主要研究内容为超高压氟塑料软管的增强结构设计，采用“单层缠绕+双层编织”结构，其结构如图2所示。

图2 缠绕+编织增强结构示意图

2 细钢丝高密度编织结构设计

2.1 设计计算示意图

图3为设计计算用示意图。图中T表示单根钢丝绕管体一周之间的距离，称为行程；α表示钢丝与管体中心轴的夹角，称为增强角（编织角或缠绕角）；直线AB′为钢丝绕管体一周展开的直线长度；D为计算直径。

则：BB'=πD，tanα=πD/T。

图3 设计计算示意图

2.2 计算公式

2.3 符号说明

D计——计算直径，mm；D内——内管直径，mm；δ增——增强层厚度，mm；d——钢丝直径，mm；ρ——排列密度，%；T——行程，mm；N——编织机锭数，个；H——缠绕根数，根；n——编织每股根数，根；G——每米增强层重量，g/m；α——增强角 （包括缠绕角和编织角，α，α2，α3， …分别表示增强结构中由内向外第一层、第二层、第三层、…增强钢丝的增强角度），°；KB——单根钢丝强度，N[文中钢丝的断裂强度按2000 MPa计算，直径（O.D.）0.29 mm的不锈钢丝KB值为132.1 N，直径（O.D.）0.19 mm的不锈钢丝KB值为56.7 N]；C2——缠绕层数的修正系数，表示增强层壁厚与材质不均匀性，第一层缠绕时值为0.85～0.90，第二层缠绕时值为 0.80～0.85，第三层缠绕时值为0.75～0.80；C3——修正系数，表示软管爆破时增强材料伸长率变化的影响，值为1+ε；C4——修正系数，表示软管爆破时，考虑平行排列的线材非同时断裂的影响，值为1-A（n-1）；C5——直径修正系数，与增强钢丝直径、增强张力有关；G′——钢丝密度，值为7.9 g/cm3；F——比例系数，值为2.666；ε——线材伸长率，钢丝时取值为0；A——增强材料修正系数，钢丝为0.015；pB缠——缠绕后爆破压力，MPa；pB编——编织后爆破压力，MPa。

2.4 编织结构概述

以通径为6 mm的聚四氟乙烯内管为案例，设计一种35 MPa超高压增强结构。选取通径为6 mm的内管，其直径（O.D.）为9.0 mm（内管直径为内管内通径加内管壁厚）。根据相关标准规范的技术要求，直径 （O.D.）6 mm氟塑料软管的室温爆破压力值需达到140.0 MPa。

由于氟塑料软管的规格较小，适合选用24锭编织机进行编织。缠绕层选用直径（O.D.）0.29 mm的不锈钢丝，编织层选用直径 （O.D.）0.19 mm的不锈钢丝，钢丝的断裂强度要求为不小于2 000 MPa；设计编织角度设为：α1＝（65.0±0.5）°，α2＝（66.0±0.5）°，α3＝（65.0±0.5）°，α4＝（65.0±0.5）°； 增强层密度由内至外分 别 设 计 为 ：ρ1=（94.0 ±5）% ，ρ2=（93.0 ±5）% ，ρ3＝（80.0±5）%，ρ4＝（75.0±5）%。

2.4.1 增强层（缠绕+编织）基本参数设计

由以上计算得到直径 （O.D.）6 mm超高压（35 MPa）增强设计参数，再根据设备的 实际精度取整如下：

D外1＝9.58 mm，取为 9.60 mm；

D外2＝10.16 mm，取为 10.20 mm；

D外3＝11.24 mm，取为 11.20 mm；

D外4＝12.22 mm，取为 12.20 mm；

T1＝13.61 mm， 取为 13.60 mm；

T2＝13.81 mm， 取为 13.80 mm；

T3＝15.67 mm， 取为 15.70 mm；

T4＝17.18 mm， 取为 17.20 mm；

H1＝39.98 根，取为 40 根；

H2＝40.45 根，取为 40 根；

n1＝4.98 根，取为 5 根；

n2＝5.12 根，取为 5 根。

2.4.2 复验计算

这样，实际计算的增强角度、密度分别为：

满足设计要求。

满足设计要求。

满足设计要求。

满足设计要求。

ρ1=H1d/(πD计1cosα1）=40×0.29/(π×9.30×cos65°）×100%=94.1%，满足设计要求。

ρ2=H2d/(πD计2cosα2）=40×0.29/(π×9.90×cos66.1°）×100%=92.0%，满足设计要求。

ρ3＝N3n1d/（2πD计3cosα3）＝24×5×0.19/（2π×10.7×cos65.0°）×100%＝80.1%，满足设计要求。

ρ4＝N4n2d/（2πD计4cosα4） ＝24 ×5 ×0.19/（2π ×11.70×cos64.9°）×100%＝73.2%，满足设计要求。

缠绕增强后，每米缠绕钢丝的重量为：

编织增强后，每米编织钢丝的重量为：

则每米增强钢丝重量共为：

增强结构的爆破压力值为：

2.4.3 增强参数汇总

由上述计算可得直径 （O.D.）6 mm超高压增强结构（细钢丝高密度）参数汇总，详见表1。

3 试验验证

3.1 内部试验

设计完成后需要通过试验来验证其可行性，参考 SAE AS614 “Hose Assembly，Polytetrafluoroethylene，Metallic Reinforced， 4000 psi,400°F，Heavy Duty,Hydraulic and Pneumatic”的试验方法，按35 MPa压力等级开展耐压试验和室温爆破试验。

首先，组装一根软管组件进行耐压试验，试验在室温下进行，压力值为工作压力的2倍，即70 MPa。加压时间不少于30 s但不超过5 min，耐压时间至少保持2 min，试验后软管组件无泄漏或其他故障现象，试验合格。

随后，重新组装一根软管组件进行室温下的爆破试验，即对软管组件施加压力直至破裂。升压速率为（140 ±5）MPa/min，软管组件在加压至 162.3 MPa时接头拉拖泄漏（高于规定的指标值140.0 MPa），试验合格。

3.2 鉴定试验

完成内部试验后，为固化设计尺寸和工艺参数，开展鉴定试验验证。试验方法参照SAE AS614中软管组件鉴定试验程序，试验温度为-55～180℃。

试验项目包括内管检查（滚压耐压、拉伸强度、断裂伸长率、相对密度），软管组件检查，耐压，伸长与缩短，容积膨胀，液体泄漏，应力降低，脉冲，弯曲，气体渗漏，重复组装，室温爆破，热冲击，导电性等17个试验项目，具体试验程序见表2。

上述鉴定试验项目均顺利通过，试验后无泄漏等故障，证明增强结构的设计合理有效，固化的工艺参数可行。

表2 鉴定试验程序

4 结论

通过鉴定试验验证，本文设计的超高压氟塑料软管的增强结构能够满足SAE AS614中的各项技术要求。此外，该结构还具有重量轻、柔韧性高、安装方便等优点。

航空、航天领域的相关产品对重量、弯曲半径等指标具有非常严格的要求，在相同可靠性的前提下，更轻型化的产品具有决定性的竞争力。

本文设计的超高压氟塑料软管的增强结构不但实现了我国超高压氟塑料软管的技术突破，打造出具有自主知识产权的高端技术产品，还打破了国外在该领域的技术封锁。后续可以推广应用其他更高规格的氟塑料软管，对推动我国航空、航天领域的发展具有巨大的意义。

[1]李延林,吴宇方,瞿祥国.橡胶工业手册第五分册：胶带、胶管与胶布[M].北京：化学工业出版社，1990.