矿用可扁平聚氨酯高压软管性能测试与分析

王 巍

(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037；2.国家煤矿防尘通风安全产品质量监督检验中心，重庆 400037)

矿用可扁平聚氨酯高压软管具有单根长度大，体积小，重量轻，柔韧性强，便于卷取和铺设，环境适应性强的特点，被广泛用于海上石油输送、煤矿或非煤矿山应急救援、井下排水、防汛抗旱和页岩气开发等方面[1-2]。软管由内胶层、结构层和外胶层构成，内、外胶层材料选用耐油、耐水、耐老化、具有抗静电阻燃性能的聚氨酯、橡胶等，结构层材料多为高强度涤纶纤维、尼龙纤维并植入导电丝，具有承压保型能力。在软管与软管之间采用快速接头、软管与其它输液设备管路之间连接，形成能够承受一定压力的输液系统，实现快速连接、铺设、排水，为救援抢险带来极大的方便，赢得大量宝贵时间。近年来聚氨酯高压软管逐渐应用于矿山抢险救援中，软管直径通常选用Φ150 mm 至Φ250 mm，额定工作压力2.8 MPa，爆破压力可达8.4 MPa[3]。本文主要对聚氨酯高压软管的阻燃性能、抗静电性能、纵向拉断强力及拉断伸长率、工作压力、最小爆破压力、耐磨性进行实验，研究软管的各项性能指标能否满足煤矿产品安全准入要求。

1 实验部分

1.1 实验仪器

酒精喷灯燃烧试验装置(自制)、卧式拉力机YNS-3000(长春机械科学研究院有限公司)、万能试验机CMT5305(美斯特工业系统(中国)有限公司)、高阻计ZC46A(上海第六电表厂)、静液压试验机XGJ-10(承德市金建检测仪器有限公司)、Taber耐磨试验机LGD-5612A(昆山鹭工精密仪器有限公司)。

1.2 实验方法

实验样品选用直接为Φ150 mm×1.2 m的聚氨酯高压软管。按照MT181的试验方法，截取6个样品宽度为25 mm的圆环，点燃喷灯，调整其火焰高度为150～180 mm，在喷灯喷火口中心50 mm处的火焰温度应为960℃±60℃时，进行酒精喷灯燃烧试验。按照MT181的试验方法，选取3根Φ150 mm×1.2 m的聚氨酯高压软管，将样品放置在温度为23℃±2℃，相对湿度为65%RH±5%RH的环境中至少2 h，测量时，将两个电极紧密地附着在试件的外壁表面，并遍及试件外壁一周，两电极间相距1000 mm，将样品放在绝缘垫块上，再将两个电极分别用引线接入高阻仪，施加试验电压1 min后，测量电阻。按照MT914的试验方法，将样品沿轴向方向裁制3个哑铃状标准试样，将样品放置在温度为23℃±2℃，相对湿度为45%～75%RH的环境中16 h，实验时夹持器以100 mm/min的恒速对试样进行连续拉伸，直到试件断裂为止，记录拉力值。按照GB/T15560的试验方法，选取1根Φ150 mm×1.2 m的软管，将软管与接头和静液压试验机连接好，将软管中充满水，预处理1 h，然后连续均匀地把试样压力升到正常工作压力的1.5倍(4.2 MPa)，保压1 h；进行爆破压力试验时，均匀、快速地对试样施加压力，直到试样在60～70 s内破裂为止，记录试验数据。按照GB/T 30314的试验方法，从软管上随机截取1个圆形测试样品，每个试样直径为114 mm±1 mm，中心孔径为6.35 mm，称量试样的质量，将试样按照在磨耗机的转盘上并压平，砂轮的转速为75 r/min，在无附加压重作用下，磨轮转数250000转，记录质量损失量。

2 结果与讨论

2.1 阻燃性能试验

由表1可知，软管的酒精喷灯有焰燃烧算术平均值小于3 s且单个样品最大燃烧时间不超过10 s，酒精喷灯无焰燃烧算术平均值小于10 s且单个样品最大燃烧时间不超过30 s，满足MT181标准要求。未经阻燃处理的普通聚氨酯软管在空气中是可燃的，酒精喷灯燃烧试验表明样品点燃后出现熔滴现象，直接滴落在燃烧箱中，滴落物离火后立即熄灭，试样增强层出现短暂的无焰燃烧现象。实验结果表明燃烧产生熔滴现象的是内外胶层的聚氨酯材料，离火即熄灭表明材料中添加了阻燃剂；增强层为高强度纤维，出现短暂的无焰燃烧情况而未出现“灯芯效应”表明增强层纤维具有一定的自阻燃性。

表1 聚氨酯高压软管的酒精喷灯燃烧时间数据

2.2 抗静电性能试验

非金属制品用于煤矿井下时通常有阻燃抗静电性能要求，抗静电性能一般用表面电阻表示，表面电阻越大，抗静电性能越差。由于软管用于井下排水，按照标准要求只需外壁表面满足抗静电要求即可。由表2可知，聚氨酯高压软管的外壁表面电阻平均值小于1×109Ω，满足标准MT181的要求。

表2 聚氨酯高压软管的外壁表面电阻值

2.3 拉伸强度试验

表3 哑铃状试样拉伸强度及拉断伸长率

2.4 耐压及爆破压力试验

增强层在软管中起着承压和保形作用，当软管受到的是内压负荷和轴向拉力时，纤维层织物受到经向和纬向张力的作用。当沿织物经、纬两方向的耐压负荷达到极限值时，软管增强层最弱一点的纱线断裂，缺口处出现应力集中，管壁会沿经向或纬向撕裂[4]。软管的设计工作压力为2.8 MPa，按照标准要求，4.2 MPa试验压力下保持1 h，软管未渗漏、未破坏。软管的最小爆破压力为8.6 MPa，软管破坏为软管中间部位的经向线断裂，这表明增强层纤维的强度、经纬向的编织方式及内外胶层与增强层的结合方式对软管的爆破压力有影响。软管爆破前后外观图，如图1所示。

图1 软管爆破前与爆破后的外观图

2.5 耐磨性试验

图2 软管磨耗前与磨耗后的对比图

3 结论

软管具有较好的阻燃性能，试样经酒精喷灯点燃后内、外胶层出现熔滴，滴落物离火熄灭，增强层具有自阻燃性；软管的外壁表面电阻平均值小于1×109Ω，满足标准MT181的要求。软管具有高扯断强力，其整管拉伸强度为640 kN/m，轴向取样哑铃状试样拉伸强度633 kN/m，表明试样不同的测试方式不会影响实验的结果。在4.2 MPa试验压力下保持1 h，软管未渗漏、未破坏，最小爆破压力达8.6 MPa，能够满足长距离输送高压水的能力；软管增强层纤维的强度、经纬向的编织方式及内外胶层与增强层的结合方式对软管的爆破压力有影响。软管的外胶层经过250000转的耐磨性试验后，外胶层未破坏，增强层纤维未外漏，磨耗量为2.38%，表明软管具高耐磨性能。因此，可扁平聚氨酯高压软管的各项性能指标能够满足煤矿产品安全准入要求。