張園春

上海市塑料研究所 （上海 200090）

高壓聚四氟乙烯軟管組件金屬接頭的設(shè)計

張園春

上海市塑料研究所 （上海 200090）

金屬接頭的設(shè)計對于高壓聚四氟乙烯軟管組件的性能優(yōu)劣至關(guān)重要。針對軟管組件的失效模式，分別在金屬接頭的材質(zhì)、壁厚、長度、外徑、抗拉脫段、安裝倒角、槽深、密封筋的寬度、表面粗糙度等九個方面進行闡述，說明接頭設(shè)計的各方面注意事項，為高壓聚四氟乙烯軟管組件的金屬接頭設(shè)計和改進提供了參考。

軟管組件 金屬接頭 設(shè)計

0 引言

高壓聚四氟乙烯軟管組件（以下簡稱軟管組件）通常由聚四氟乙烯內(nèi)管、不銹鋼絲增強層和金屬接頭（包括螺母、套筒、接頭）組成，如圖1所示，廣泛應(yīng)用于設(shè)備的液壓、冷氣系統(tǒng)中，通過傳輸氣液介質(zhì)達到壓力和能量的傳輸。在脈沖試驗或?qū)嶋H使用過程中，由于設(shè)計或制造的原因，加上受到高溫、低溫、工作介質(zhì)的壓力脈沖等因素作用，軟管組件存在著鋼絲層斷絲、內(nèi)管爆破、軟管在接頭處泄漏（如圖2所示）等問題，對設(shè)備安全造成嚴重隱患，由于軟管破裂致使液壓系統(tǒng)的壓力喪失從而引發(fā)事故的事例屢見不鮮。

圖1 軟管組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 軟管在接頭處泄漏

影響軟管組件質(zhì)量的因素有聚四氟乙烯內(nèi)管的性能、增強鋼絲的增強角、軟管與增強鋼絲層之間的張力配合、軟管裝配時的扣壓量以及接頭的結(jié)構(gòu)形式等，其中以接頭的結(jié)構(gòu)形式影響最為顯著。

本文主要通過對接頭設(shè)計的闡述，來表達接頭的結(jié)構(gòu)形式對軟管組件性能的影響。

1 接頭結(jié)構(gòu)形式的分類

目前我國研發(fā)的21 MPa等級的軟管組件，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格的不同，接頭的結(jié)構(gòu)形式主要分為三類，分別為：倒刺式（見圖3）、多槽式（見圖4）和疏密槽式（見圖5）。一般較小規(guī)格（?＜5 mm）選用倒刺式結(jié)構(gòu)，中間規(guī)格（5 mm＜?＜10 mm）選用多槽式結(jié)構(gòu)，較大規(guī)格（10 mm＜?＜14 mm）選用疏密槽式結(jié)構(gòu)，而到了更大規(guī)格（14 mm＜?＜20 mm），又是選用多槽式結(jié)構(gòu)。

上述三種接頭形式，從本質(zhì)上來講，主要起到兩方面的作用，一是抵抗金屬接頭與軟管管體之間在使用中脫落，二是保證軟管組件在長期高壓情況下的使用中保持密封，防止介質(zhì)不會在接頭與管體連接部位泄漏。

注：圖3～圖5所示的接頭，為了敘述明確，本文中約定其左邊為頭部、右邊為尾部。

本文以結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜的疏密式接頭為例，闡述接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

2 由于接頭設(shè)計不合理造成的故障現(xiàn)象

接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要，這是軟管組件的技術(shù)核心所在。而在實際操作中，接頭的設(shè)計往往不能很好地把握各種關(guān)鍵點，便會造成各種失效。由于接頭設(shè)計的不合理而造成的失效現(xiàn)象最為普遍的主要有扣壓處內(nèi)管出現(xiàn)縱向裂紋和環(huán)向裂紋兩種，其他的故障現(xiàn)象也有，但是并不常見。

2.1 扣壓處內(nèi)管出現(xiàn)縱向裂紋

在套筒扣壓部位的尾端，內(nèi)管出現(xiàn)縱向微小裂紋，一旦裂紋貫穿，便會造成軟管組件失效。這一故障是在實際生產(chǎn)中遇到的最為普遍的故障，解剖后故障點如圖6所示。

2.2 扣壓處內(nèi)管出現(xiàn)環(huán)向裂紋

如圖7所示的環(huán)向裂紋，在實際使用和試驗過程中也是較為常見的故障現(xiàn)象之一。內(nèi)管出現(xiàn)了環(huán)向裂紋之后，此處便會成為薄弱環(huán)節(jié)，隨著環(huán)向裂紋的逐漸擴展，往往會在此處形成泄漏點，導(dǎo)致軟管組件失效。

2.3 其他故障

除了以上兩種主要的故障現(xiàn)象之外，也有內(nèi)管出現(xiàn)爆破小孔、接頭拉脫等，但是作為由于接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計造成的故障并不常見。

3 接頭的設(shè)計

本文所述的接頭設(shè)計前提是內(nèi)管性能達標(biāo)和增強效果能夠滿足要求，且內(nèi)管選用T6C原料，增強絲選用不銹鋼絲（纖維增強或其他材質(zhì)的增強軟管在本文中不進行研究）。

3.1 材質(zhì)

軟管組件的總成是通過套筒、內(nèi)管的扣壓變形而達到，內(nèi)管的變形量一般控制在20%～40%為宜，設(shè)計中，套筒在扣壓時壁厚的變化可忽略不計，僅起到固定接頭和軟管并促使其密封的作用。

基于軟管組件的總成工藝，在扣壓工序中，接頭要起到一個支撐作用，承受來自于扣壓機的壓力。如欲在扣壓中保持接頭設(shè)計時的結(jié)構(gòu)和尺寸不變或基本不變，就要求其材質(zhì)應(yīng)具有相當(dāng)?shù)挠捕取?/p>

軟管組件在使用過程中，經(jīng)常會承受較為苛刻的脈沖作用和比較劇烈的振動，故接頭材質(zhì)在擁有相當(dāng)硬度的同時，還不能具有脆性。

一般情況下，作為接頭材質(zhì)，其硬度HB應(yīng)不小于300，斷后伸長率δ5應(yīng)不小于8%。

由于接頭呈中空的管體，受力后中間部位必然會或多或少地出現(xiàn)變形。經(jīng)過實踐驗證，扣壓過程中，接頭的變形量在0.2 mm以內(nèi)基本不會影響產(chǎn)品性能。

3.2 壁厚

壁厚因素與3.1中的材質(zhì)問題基本相同，根據(jù)不同的材料、不同的扣壓量設(shè)計不同的接頭壁厚，以扣壓后不改變接頭的結(jié)構(gòu)和尺寸為設(shè)計原則。

如果壁厚較大，會造成產(chǎn)品重量增加，且在介質(zhì)流經(jīng)此處時流阻增加；如果壁厚較小，則難以保證設(shè)計的實現(xiàn)。設(shè)計者可以根據(jù)實際使用情況、設(shè)計要求、材質(zhì)情況等因素設(shè)計壁厚尺寸。

3.3 長度

從設(shè)計角度來講，接頭越長越好，越能夠很好地起到密封作用和抗拉脫作用，但是卻不利于使用。在使用中，軟管組件一般要求軟管在離開套筒約25 mm以內(nèi)最好保持與套筒處于同一直線，即不要彎曲，這在使用條件比較苛刻或安裝環(huán)境不是很寬裕的情況下，很難滿足使用要求。故在設(shè)計接頭時，接頭的長度最好保持適中。

尾部密封槽的主要作用是密封，一般情況下，需要2～3條密封槽，設(shè)計時建議給出安全系數(shù)，安全系數(shù)一般取1.5～2.0。

頭部槽的主要作用是抗拉脫，此處扣壓時內(nèi)管的變形可以適當(dāng)大一些。抗拉脫槽一般需要3～4條，設(shè)計時建議給出1.2～1.5的安全系數(shù)。

值得說明的是，起密封作用的槽和起抗拉脫作用的槽并不是截然分開的。尾部的槽在起到密封作用的同時，也能起到抗拉脫作用，而頭部的槽在密封槽合理設(shè)計的情況下，基本只起到抗拉脫作用。設(shè)計時，兩者的數(shù)量要綜合考慮。

3.4 外徑

外徑指的是接頭的大外徑，直接與內(nèi)管接觸的表面。

外徑的設(shè)計原則是比增強后的軟管內(nèi)徑尺寸略大0.1～0.5，根據(jù)軟管的規(guī)格和實際情況選擇具體大多少。如果外徑偏小，一方面在裝接頭時不易固定，另一方面，扣壓后內(nèi)管成較明顯的階梯狀，即扣壓段與未扣壓段外徑差距較大，容易造成失效。如果外徑偏大，在裝配接頭時會比較困難，容易造成增強鋼絲的松散，影響增強效果。所以，接頭的外徑尺寸在設(shè)計時也必須在細節(jié)上予以考慮。

3.5 抗拉脫段

抗拉脫段的長度在3.3中已經(jīng)述及，此處不再贅述，只是在設(shè)計抗拉脫段的長度時不要忽略了密封段也具有抗拉脫的作用。

設(shè)計抗拉脫段的槽深時，根據(jù)各規(guī)格軟管組件的內(nèi)管壁厚，在保證不損傷內(nèi)管的前提下，槽深可以適當(dāng)深一些，扣壓量較密封段略大一些。

抗拉脫段的設(shè)計可以通過爆破試驗來驗證。在爆破試驗中，軟管組件的爆破點如果在管體上，證明抗拉脫段的設(shè)計比較合理，如果在接頭扣壓部位，證明接頭設(shè)計或扣壓量的計算存在缺陷。

3.6 安裝倒角

設(shè)計接頭時，在最尾端應(yīng)設(shè)計一定角度的倒角，以便于生產(chǎn)中的接頭安裝。

安裝倒角有兩種形式，一種是錐度倒角，一種是圓角倒角。

對于錐度倒角，如圖8所示，比較適合于較大規(guī)格的軟管或接頭長度較大的軟管，其錐度值A(chǔ)一般設(shè)計為8°～15°。

對于圓角倒角，如圖9所示，比較適合于較小規(guī)格的軟管或接頭長度較短的軟管。

3.7 槽深

此處的槽深，指的是密封段的槽深。

槽深是一個非常重要的參數(shù)，是接頭外部底徑與外徑之間的距離，即各槽的深度。2.1中所提到的內(nèi)管出現(xiàn)縱向小裂紋，其主要產(chǎn)生原因即槽深設(shè)計不合理所致。如果槽深偏小，則不能達到密封的作用，介質(zhì)會穿過接頭與內(nèi)管之間的空隙泄漏，導(dǎo)致軟管組件的失效。如果槽深偏大，內(nèi)管在扣壓后由于變形過大，便已經(jīng)存在了微小裂紋（在30倍的顯微鏡下觀察），經(jīng)過一段時間的使用或試驗后，內(nèi)管便會產(chǎn)生如圖6所示的縱向小裂紋導(dǎo)致軟管組件泄漏，目前，軟管組件的失效絕大多數(shù)屬于這種故障。

目前我國研發(fā)的軟管組件，其內(nèi)管壁厚在1.0～2.0mm之間，建議其設(shè)計槽深控制在0.2～0.3 mm，既能保證扣壓后的密封，又能保證扣壓后內(nèi)管不會形成微小裂紋。

3.8 密封筋的寬度

密封筋的寬度指的是密封槽之間的距離，如圖10所示，a即為密封筋的寬度。

軟管組件的扣壓過程就是施加外力使內(nèi)管變形，部分內(nèi)管蠕變進入密封槽，密封筋部位被迫壓縮與密封筋配合，從而達到密封的作用。

在機加工中，如無特殊要求，一般銳邊倒鈍R0.2～0.3。如果密封筋較窄，倒鈍后其頂端便會形成一個較為尖銳的利口，扣壓后容易割傷內(nèi)管，便會造成如圖7所示的環(huán)向裂紋。

根據(jù)扣壓變形的原理，密封筋同樣不能太寬。如果密封筋過寬，扣壓后內(nèi)管變形區(qū)域較大，容易形成縱向裂紋。這種縱向微裂紋在使用中會逐漸擴展，最終如果一條小裂紋貫穿，就會造成軟管組件的泄漏，其現(xiàn)象如圖6所示。

密封筋的寬度，應(yīng)該根據(jù)軟管的塑性性能來確定。一般情況下，壁厚在1.0～2.0mm的內(nèi)管，其接頭起主要密封作用的密封筋寬度設(shè)計為0.4～1.0 mm為宜。

3.9 表面粗糙度

接頭設(shè)計中扣壓部位的表面粗糙度在考慮經(jīng)濟性的同時，越光滑越好，切忌表面留有加工毛刺。

4 結(jié)論

通過對軟管組件失效現(xiàn)象的分析，有針對性地提出金屬接頭設(shè)計中應(yīng)著重注意的9個方面。在實際接頭設(shè)計中，上述9個方面可以作為設(shè)計的一個參考，但并不是一定要按其設(shè)計，還需要具體問題具體分析，根據(jù)軟管組件特定因素給予綜合考慮。

設(shè)計的合理與否，可以通過比較苛刻的脈沖試驗加以驗證，脈沖試驗方法、試驗參數(shù)等詳見國軍標(biāo)GJB 2837-1997《聚四氟乙烯軟管組件規(guī)范》。

TQ325.4

張園春 男 1978年生 工程師 在上海市塑料研究所從事研發(fā)和技術(shù)管理工作

2010年3月