高壓軟管試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)夾緊裝置研究

李 超 朱海清 劉明亮

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

高壓軟管是一種壓力容器連接件，分為高壓金屬軟管和高壓橡膠軟管兩大類， 常用于石油、化工及罐車等相關(guān)領(lǐng)域， 其中的流通介質(zhì)包括油、水、氣及砂粒等。 常見(jiàn)的高壓軟管基本參數(shù)為：長(zhǎng)度1～12m，公稱通徑25～100mm，設(shè)計(jì)壓力2.5～10.0MPa，耐壓試驗(yàn)壓力為1.5倍設(shè)計(jì)壓力，氣密試驗(yàn)壓力為1.0倍設(shè)計(jì)壓力。在高壓或有毒有害介質(zhì)的場(chǎng)合下，若出現(xiàn)軟管耐壓不足而破裂或介質(zhì)泄漏等危險(xiǎn)情況，勢(shì)必會(huì)造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。 因此，國(guó)標(biāo)中對(duì)高壓軟管的檢驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)有明確規(guī)定：高壓軟管在出廠前必須進(jìn)行耐壓和氣密性能試驗(yàn)，并在投入工作后也需定期在相關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)中檢驗(yàn)［1，2］。

目前，對(duì)高壓軟管的檢驗(yàn)大多停留在手動(dòng)檢驗(yàn)階段，只有少數(shù)采用自動(dòng)化檢驗(yàn)，所以其性能試驗(yàn)的可靠性和效率難以提高。 一般檢驗(yàn)時(shí)通常采用法蘭連接，這種連接方式費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低，而且還會(huì)出現(xiàn)不同程度的機(jī)械磨損［3，4］，難以滿足批量檢測(cè)要求。 因此，開(kāi)發(fā)一套快速、可靠的高壓軟管試驗(yàn)裝置已經(jīng)成為重要的研究課題。

筆者以常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)高壓軟管為試驗(yàn)對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種新型自動(dòng)夾緊試驗(yàn)臺(tái)，以保證液壓夾緊密封的可靠性，同時(shí)不會(huì)因選擇過(guò)高的工作壓力和過(guò)大的液壓缸而浪費(fèi)資源。

1 高壓軟管試驗(yàn)臺(tái)

高壓軟管試驗(yàn)臺(tái)二維結(jié)構(gòu)如圖1所示。 檢驗(yàn)時(shí)，待檢驗(yàn)高壓軟管左右兩端各連接一個(gè)夾緊裝置，相同點(diǎn)在于兩夾緊裝置夾緊方式一致，不同點(diǎn)在于兩試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部管閥等有所不同，且左端試驗(yàn)臺(tái)底部裝有滾輪，可根據(jù)待檢驗(yàn)軟管的長(zhǎng)度而調(diào)整位置，右端試驗(yàn)臺(tái)底部固定于地面。

試驗(yàn)臺(tái)主要包括活動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)和內(nèi)部管閥兩部分。 試驗(yàn)臺(tái)夾緊面板豎直放置并在中心開(kāi)有階梯通孔， 夾緊面板中心孔一端面連接密封墊塊，另一端面連接三通管；密封墊塊端面設(shè)有矩形溝槽用以放置O形密封圈， 且開(kāi)有與夾緊面板同心的中心螺紋孔，密封墊塊中心螺紋孔內(nèi)連接定位套筒的一端，定位套筒另一端嵌套在接頭法蘭口內(nèi)；在夾緊面板中心階梯孔的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)導(dǎo)向套筒， 導(dǎo)向套筒內(nèi)各安裝有一根導(dǎo)向管，導(dǎo)向管的一端各連接夾爪固定座，夾爪固定座內(nèi)各裝有夾爪，導(dǎo)向管的另一端穿過(guò)夾緊面板后與橫梁相連，橫梁與油缸的活塞桿連接，油缸與定位托盤連接，托盤與4根定位管的一端連接，定位管另一端與夾緊面板連接；氣動(dòng)球閥與單向閥分別連接在水源管路與氣源管路上。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)二維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 自動(dòng)夾緊裝置

2.1 活動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)

活動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)（圖2）主要包括油缸、橫梁、導(dǎo)向管、夾爪固定座、夾爪、定位管和定位托盤。 油缸底端用螺栓固定于定位托盤上，托盤與試驗(yàn)臺(tái)夾緊面板之間通過(guò)4根定位管固定， 油缸另一端的活塞桿貫穿橫梁中心并以螺母與橫梁固定，橫梁與夾爪固定座之間以兩根導(dǎo)向管連接固定，兩根導(dǎo)向套筒貫穿并固定于試驗(yàn)臺(tái)面板，導(dǎo)向管穿過(guò)導(dǎo)向套筒并與之間隙配合，夾爪穿過(guò)夾爪固定座并與之間隙配合。 油缸活塞桿左右伸縮運(yùn)動(dòng)可依次帶動(dòng)橫梁、導(dǎo)向管、夾爪固定座、夾爪左右運(yùn)動(dòng)， 實(shí)現(xiàn)夾爪與軟管法蘭接頭之間的夾緊與松開(kāi)， 繼而實(shí)現(xiàn)法蘭面與密封墊塊之間的壓緊密封。

圖2 活動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)剖視圖

2.2 其他零部件

根據(jù)GB/T 14525—2010《波紋金屬軟管通用技術(shù)條件》中的相關(guān)規(guī)定：高壓軟管在進(jìn)行耐壓與氣密性能檢驗(yàn)時(shí)需平直放置， 不可有明顯彎曲。 為此，將試驗(yàn)臺(tái)夾緊面板設(shè)計(jì)為豎直放置，水平方向夾緊。

為保證密封墊塊密封面（圖3）受力均勻，必須使壓緊力合力的作用線和試驗(yàn)軟管法蘭接頭軸線重合，同時(shí)要保證軟管接頭端面與密封墊塊的密封面平行［5］。為此，在試驗(yàn)臺(tái)夾緊面板中心孔兩側(cè)再對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)通孔，兩導(dǎo)向管分別穿過(guò)兩側(cè)通孔，即與中心螺紋孔軸線平行；在兩導(dǎo)向管端面對(duì)稱布置活動(dòng)夾爪； 定位套筒一端為外螺紋，與密封墊塊中心螺紋孔連接，定位套筒另一端光滑且與軟管接頭內(nèi)徑間隙配合，這不僅使軟管接頭周向定位于密封墊塊，同時(shí)讓軟管接頭軸線與密封墊塊中心螺紋孔軸線重合，保證了壓緊力合力作用線、軟管接頭軸線和密封墊塊中心螺紋孔軸線三線重合，密封面受力均勻。

圖3 密封墊塊密封面示意圖

如圖3所示， 密封墊塊除了中心開(kāi)有螺紋孔外，一端面還設(shè)有5個(gè)同心圓矩形溝槽，放置O形密封圈，保證了密封墊塊與多種尺寸軟管接頭之間的密封；另一端面設(shè)置了1個(gè)同心圓矩形溝槽，保證了密封墊塊與夾緊面板之間的密封。 夾爪對(duì)稱布置，可手動(dòng)調(diào)節(jié)其伸縮量，以滿足多種尺寸軟管接頭的夾緊需要。

高壓軟管接頭類型有法蘭接頭、 螺紋接頭和快速接頭，通常以法蘭接頭為主，通徑規(guī)格較小的軟管可能會(huì)用螺紋接頭或快速接頭［6，7］。 當(dāng)軟管接頭為螺紋接頭或快速接頭時(shí)， 可在軟管接頭與密封墊板間加裝配套設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換接頭，即可轉(zhuǎn)化為法蘭面壓緊密封， 部分轉(zhuǎn)換接頭如圖4所示。

圖4 4種轉(zhuǎn)換接頭的結(jié)構(gòu)形式

耐壓試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)分別以水和氣為介質(zhì)。為擺脫兩項(xiàng)性能用兩種設(shè)備獨(dú)立完成檢驗(yàn)的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)兩項(xiàng)性能一體化檢驗(yàn)，在試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部將水源管路與氣源管路連通，并分別以氣動(dòng)球閥和單向閥控制開(kāi)關(guān)，達(dá)到用一臺(tái)裝置即可完成兩項(xiàng)試驗(yàn)的目的。

2.3 油缸壓緊力

油缸壓緊力F取決于高壓軟管端口出水壓力FC和密封壓力FM［8］，即：

軟管端口出水壓力FC為壓強(qiáng)p與受力面積A的乘積，即：

由于軟管試驗(yàn)壓強(qiáng)與軟管通徑成反比，經(jīng)計(jì)算可知， 軟管端口出水壓力隨通徑變大而增加，故通徑最大（DN100mm）時(shí)，端口出水壓力最大，此時(shí)耐壓試驗(yàn)壓強(qiáng)為3.75MPa，安全系數(shù)取1.3，故壓強(qiáng)p設(shè)計(jì)為4.8MPa；A=0.011304m2， 故FC=pA=4800×0.011304=54.259kN。 密封壓力為密封圈產(chǎn)生一定形變時(shí)所需的壓力，即：

其中，?X為密封圈所受應(yīng)力，通過(guò)壓力傳感器測(cè)量；A1為密封圈受力面積。 當(dāng)出水壓力達(dá)到4.8MPa時(shí)，密封圈所承受的應(yīng)力約為2.77MPa；受力面積可以按照最大管徑的密封面積計(jì)算，則A1=0.004682m2， 故FM=?XA1=2770×0.004682=12.969kN， 則油缸壓緊力F=FC+FM=54.259+12.969=67.228kN。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 檢驗(yàn)流程及標(biāo)準(zhǔn)

整個(gè)檢驗(yàn)過(guò)程包括外觀檢查和性能檢驗(yàn)。 首先， 通過(guò)人眼觀察軟管焊縫表面是否成型均勻、軟管接頭的密封表面是否有裂紋等；再用夾緊裝置固定并密封軟管接頭，依次完成升壓、保壓、泄壓過(guò)程［9，10］。

相關(guān)國(guó)標(biāo)［1］中規(guī)定的試驗(yàn)方法和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：高壓軟管分別在1.5倍設(shè)計(jì)壓力下進(jìn)行耐壓試驗(yàn)、在1.0倍設(shè)計(jì)壓力下進(jìn)行氣密試驗(yàn)， 結(jié)果無(wú)滲漏（漏氣）、無(wú)異常變形者判定為合格。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在相同的系統(tǒng)條件下， 分別以DN25、DN32、DN50、DN80、DN100mm的高壓軟管為檢驗(yàn)對(duì)象，分別在法蘭連接和液壓夾緊裝置連接條件下進(jìn)行軟管耐壓與氣密試驗(yàn)， 并分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，論證這兩種連接方式對(duì)軟管性能試驗(yàn)時(shí)工作效率和密封可靠性的影響。 處理后的平均試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 3次重復(fù)性試驗(yàn)不同通徑下的整體檢驗(yàn)平均用時(shí)及密封情況

從泄漏情況來(lái)看，兩種連接方式下密封性都可靠；從計(jì)算檢驗(yàn)時(shí)間減少率可知，液壓夾緊裝置連接條件下的檢驗(yàn)時(shí)間比法蘭連接條件下平均減少約49.4%。 節(jié)省的時(shí)間體現(xiàn)在兩方面：一是液壓自動(dòng)夾緊連接方式取代了手動(dòng)法蘭連接方式；二是該試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了耐壓與氣密性能順次一體化檢驗(yàn)，取代了現(xiàn)行的用不同裝置檢驗(yàn)兩項(xiàng)性能的方式，省去了中間拆卸與搬運(yùn)所用的時(shí)間。

4 結(jié)論

4.1 采用液壓夾緊裝置對(duì)高壓軟管進(jìn)行性能檢驗(yàn)，提高了檢測(cè)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

4.2 由液壓動(dòng)力提供壓緊力， 裝置性能穩(wěn)定，試驗(yàn)時(shí)密封面受力均勻且充足，密封效果良好。

4.3 將耐壓與氣密兩種試驗(yàn)的檢驗(yàn)裝置合二為一，實(shí)現(xiàn)了一體化檢驗(yàn)，節(jié)約了成本。