35 MPa超高壓聚四氟乙烯軟管組件增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭赟亮

上海市塑料研究所有限公司 （上海 200093）

通常情況下，聚四氟乙烯內(nèi)管的耐壓壓力為0.5～2.5 MPa，而聚四氟乙烯內(nèi)管經(jīng)不銹鋼絲增強(qiáng)后，其工作壓力可以達(dá)到21 MPa或更高。因此，不銹鋼絲增強(qiáng)技術(shù)是軟管組件的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，國內(nèi)市場上橡膠管的壓力等級(jí)已經(jīng)覆蓋超高壓等級(jí)（28 MPa以上），但聚四氟乙烯軟管組件（以下簡稱“氟塑料軟管”）尚無超高壓等級(jí)的成熟產(chǎn)品。主要原因是氟塑料軟管表面摩擦系數(shù)小，增強(qiáng)層材料在耐壓時(shí)容易滑動(dòng)，導(dǎo)致氟塑料軟管失效。隨著航空、航天領(lǐng)域的飛速發(fā)展，氟塑料軟管的應(yīng)用逐漸向超高壓領(lǐng)域深入，對(duì)超高壓氟塑料軟管的需求已經(jīng)迫在眉睫。

本文主要涉及一種35 MPa超高壓軟管組件的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)可以彌補(bǔ)市場上氟塑料軟管在超高壓等級(jí)的空白。在滿足超高壓等級(jí)要求的基礎(chǔ)上，還具有重量輕、壽命長、不易老化、柔韌性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 概述

1.1 軟管組件結(jié)構(gòu)

氟塑料軟管由導(dǎo)電的聚四氟乙烯內(nèi)管，不銹鋼絲增強(qiáng)層，金屬連接件（接頭、螺母、套筒）組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 不銹鋼絲增強(qiáng)結(jié)構(gòu)

不銹鋼絲增強(qiáng)的承壓等級(jí)取決于鋼絲增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)參數(shù)。

圖1 氟塑料軟管結(jié)構(gòu)

增強(qiáng)結(jié)構(gòu)有編織和“纏繞+編織”兩種形式。纏繞結(jié)構(gòu)與內(nèi)管外表緊貼性好、鋼絲排列均勻、無應(yīng)力集中點(diǎn)、耐壓性能良好，但該結(jié)構(gòu)的固定性較差，易產(chǎn)生位移，影響整體的耐壓性能。編織結(jié)構(gòu)具有固定性好、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但其交叉式的鋼絲形式易產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，編織層與內(nèi)管外表貼合的緊密程度也不如纏繞層。

增強(qiáng)參數(shù)主要有增強(qiáng)直徑、增強(qiáng)行程等。增強(qiáng)直徑是根據(jù)內(nèi)管尺寸和增強(qiáng)鋼絲直徑計(jì)算得出，增強(qiáng)行程是根據(jù)增強(qiáng)直徑和設(shè)計(jì)增強(qiáng)角度計(jì)算得出。

單從理論上考慮，增強(qiáng)層越多，鋼絲根數(shù)越多，軟管組件的承壓效果也越理想，但實(shí)際研制過程中需同時(shí)兼顧軟管重量和彎曲半徑等技術(shù)指標(biāo)。因此，增強(qiáng)層的設(shè)計(jì)理念是在滿足軟管組件技術(shù)指標(biāo)的前提下，采用層數(shù)最少、結(jié)構(gòu)和參數(shù)最合理的增強(qiáng)層。

本文主要研究內(nèi)容為超高壓氟塑料軟管的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用“單層纏繞+雙層編織”結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 纏繞+編織增強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 細(xì)鋼絲高密度編織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算示意圖

圖3為設(shè)計(jì)計(jì)算用示意圖。圖中T表示單根鋼絲繞管體一周之間的距離，稱為行程；α表示鋼絲與管體中心軸的夾角，稱為增強(qiáng)角（編織角或纏繞角）；直線AB′為鋼絲繞管體一周展開的直線長度；D為計(jì)算直徑。

則：BB'=πD，tanα=πD/T。

圖3 設(shè)計(jì)計(jì)算示意圖

2.2 計(jì)算公式

2.3 符號(hào)說明

D計(jì)——計(jì)算直徑，mm；D內(nèi)——內(nèi)管直徑，mm；δ增——增強(qiáng)層厚度，mm；d——鋼絲直徑，mm；ρ——排列密度，%；T——行程，mm；N——編織機(jī)錠數(shù)，個(gè)；H——纏繞根數(shù)，根；n——編織每股根數(shù)，根；G——每米增強(qiáng)層重量，g/m；α——增強(qiáng)角 （包括纏繞角和編織角，α，α2，α3， …分別表示增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中由內(nèi)向外第一層、第二層、第三層、…增強(qiáng)鋼絲的增強(qiáng)角度），°；KB——單根鋼絲強(qiáng)度，N[文中鋼絲的斷裂強(qiáng)度按2000 MPa計(jì)算，直徑（O.D.）0.29 mm的不銹鋼絲KB值為132.1 N，直徑（O.D.）0.19 mm的不銹鋼絲KB值為56.7 N]；C2——纏繞層數(shù)的修正系數(shù)，表示增強(qiáng)層壁厚與材質(zhì)不均勻性，第一層纏繞時(shí)值為0.85～0.90，第二層纏繞時(shí)值為 0.80～0.85，第三層纏繞時(shí)值為0.75～0.80；C3——修正系數(shù)，表示軟管爆破時(shí)增強(qiáng)材料伸長率變化的影響，值為1+ε；C4——修正系數(shù)，表示軟管爆破時(shí)，考慮平行排列的線材非同時(shí)斷裂的影響，值為1-A（n-1）；C5——直徑修正系數(shù)，與增強(qiáng)鋼絲直徑、增強(qiáng)張力有關(guān)；G′——鋼絲密度，值為7.9 g/cm3；F——比例系數(shù)，值為2.666；ε——線材伸長率，鋼絲時(shí)取值為0；A——增強(qiáng)材料修正系數(shù)，鋼絲為0.015；pB纏——纏繞后爆破壓力，MPa；pB編——編織后爆破壓力，MPa。

2.4 編織結(jié)構(gòu)概述

以通徑為6 mm的聚四氟乙烯內(nèi)管為案例，設(shè)計(jì)一種35 MPa超高壓增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。選取通徑為6 mm的內(nèi)管，其直徑（O.D.）為9.0 mm（內(nèi)管直徑為內(nèi)管內(nèi)通徑加內(nèi)管壁厚）。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的技術(shù)要求，直徑 （O.D.）6 mm氟塑料軟管的室溫爆破壓力值需達(dá)到140.0 MPa。

由于氟塑料軟管的規(guī)格較小，適合選用24錠編織機(jī)進(jìn)行編織。纏繞層選用直徑（O.D.）0.29 mm的不銹鋼絲，編織層選用直徑 （O.D.）0.19 mm的不銹鋼絲，鋼絲的斷裂強(qiáng)度要求為不小于2 000 MPa；設(shè)計(jì)編織角度設(shè)為：α1＝（65.0±0.5）°，α2＝（66.0±0.5）°，α3＝（65.0±0.5）°，α4＝（65.0±0.5）°； 增強(qiáng)層密度由內(nèi)至外分 別 設(shè) 計(jì) 為 ：ρ1=（94.0 ±5）% ，ρ2=（93.0 ±5）% ，ρ3＝（80.0±5）%，ρ4＝（75.0±5）%。

2.4.1 增強(qiáng)層（纏繞+編織）基本參數(shù)設(shè)計(jì)

由以上計(jì)算得到直徑 （O.D.）6 mm超高壓（35 MPa）增強(qiáng)設(shè)計(jì)參數(shù)，再根據(jù)設(shè)備的 實(shí)際精度取整如下：

D外1＝9.58 mm，取為 9.60 mm；

D外2＝10.16 mm，取為 10.20 mm；

D外3＝11.24 mm，取為 11.20 mm；

D外4＝12.22 mm，取為 12.20 mm；

T1＝13.61 mm， 取為 13.60 mm；

T2＝13.81 mm， 取為 13.80 mm；

T3＝15.67 mm， 取為 15.70 mm；

T4＝17.18 mm， 取為 17.20 mm；

H1＝39.98 根，取為 40 根；

H2＝40.45 根，取為 40 根；

n1＝4.98 根，取為 5 根；

n2＝5.12 根，取為 5 根。

2.4.2 復(fù)驗(yàn)計(jì)算

這樣，實(shí)際計(jì)算的增強(qiáng)角度、密度分別為：

滿足設(shè)計(jì)要求。

滿足設(shè)計(jì)要求。

滿足設(shè)計(jì)要求。

滿足設(shè)計(jì)要求。

ρ1=H1d/(πD計(jì)1cosα1）=40×0.29/(π×9.30×cos65°）×100%=94.1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

ρ2=H2d/(πD計(jì)2cosα2）=40×0.29/(π×9.90×cos66.1°）×100%=92.0%，滿足設(shè)計(jì)要求。

ρ3＝N3n1d/（2πD計(jì)3cosα3）＝24×5×0.19/（2π×10.7×cos65.0°）×100%＝80.1%，滿足設(shè)計(jì)要求。

ρ4＝N4n2d/（2πD計(jì)4cosα4） ＝24 ×5 ×0.19/（2π ×11.70×cos64.9°）×100%＝73.2%，滿足設(shè)計(jì)要求。

纏繞增強(qiáng)后，每米纏繞鋼絲的重量為：

編織增強(qiáng)后，每米編織鋼絲的重量為：

則每米增強(qiáng)鋼絲重量共為：

增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的爆破壓力值為：

2.4.3 增強(qiáng)參數(shù)匯總

由上述計(jì)算可得直徑 （O.D.）6 mm超高壓增強(qiáng)結(jié)構(gòu)（細(xì)鋼絲高密度）參數(shù)匯總，詳見表1。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 內(nèi)部試驗(yàn)

設(shè)計(jì)完成后需要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性，參考 SAE AS614 “Hose Assembly，Polytetrafluoroethylene，Metallic Reinforced， 4000 psi,400°F，Heavy Duty,Hydraulic and Pneumatic”的試驗(yàn)方法，按35 MPa壓力等級(jí)開展耐壓試驗(yàn)和室溫爆破試驗(yàn)。

首先，組裝一根軟管組件進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，壓力值為工作壓力的2倍，即70 MPa。加壓時(shí)間不少于30 s但不超過5 min，耐壓時(shí)間至少保持2 min，試驗(yàn)后軟管組件無泄漏或其他故障現(xiàn)象，試驗(yàn)合格。

隨后，重新組裝一根軟管組件進(jìn)行室溫下的爆破試驗(yàn)，即對(duì)軟管組件施加壓力直至破裂。升壓速率為（140 ±5）MPa/min，軟管組件在加壓至 162.3 MPa時(shí)接頭拉拖泄漏（高于規(guī)定的指標(biāo)值140.0 MPa），試驗(yàn)合格。

3.2 鑒定試驗(yàn)

完成內(nèi)部試驗(yàn)后，為固化設(shè)計(jì)尺寸和工藝參數(shù)，開展鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)方法參照SAE AS614中軟管組件鑒定試驗(yàn)程序，試驗(yàn)溫度為-55～180℃。

試驗(yàn)項(xiàng)目包括內(nèi)管檢查（滾壓耐壓、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、相對(duì)密度），軟管組件檢查，耐壓，伸長與縮短，容積膨脹，液體泄漏，應(yīng)力降低，脈沖，彎曲，氣體滲漏，重復(fù)組裝，室溫爆破，熱沖擊，導(dǎo)電性等17個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，具體試驗(yàn)程序見表2。

上述鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目均順利通過，試驗(yàn)后無泄漏等故障，證明增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理有效，固化的工藝參數(shù)可行。

表2 鑒定試驗(yàn)程序

4 結(jié)論

通過鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的超高壓氟塑料軟管的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能夠滿足SAE AS614中的各項(xiàng)技術(shù)要求。此外，該結(jié)構(gòu)還具有重量輕、柔韌性高、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

航空、航天領(lǐng)域的相關(guān)產(chǎn)品對(duì)重量、彎曲半徑等指標(biāo)具有非常嚴(yán)格的要求，在相同可靠性的前提下，更輕型化的產(chǎn)品具有決定性的競爭力。

本文設(shè)計(jì)的超高壓氟塑料軟管的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)不但實(shí)現(xiàn)了我國超高壓氟塑料軟管的技術(shù)突破，打造出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高端技術(shù)產(chǎn)品，還打破了國外在該領(lǐng)域的技術(shù)封鎖。后續(xù)可以推廣應(yīng)用其他更高規(guī)格的氟塑料軟管，對(duì)推動(dòng)我國航空、航天領(lǐng)域的發(fā)展具有巨大的意義。

[1]李延林,吳宇方,瞿祥國.橡膠工業(yè)手冊(cè)第五分冊(cè)：膠帶、膠管與膠布[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990.