高壓聚四氟乙烯軟管組件金屬接頭的設計

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計

張園春

上海市塑料研究所 （上海 200090）

金屬接頭的設計對于高壓聚四氟乙烯軟管組件的性能優(yōu)劣至關重要。針對軟管組件的失效模式，分別在金屬接頭的材質、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計和改進提供了參考。

軟管組件 金屬接頭 設計

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，廣泛應用于設備的液壓、冷氣系統(tǒng)中，通過傳輸氣液介質達到壓力和能量的傳輸。在脈沖試驗或實際使用過程中，由于設計或制造的原因，加上受到高溫、低溫、工作介質的壓力脈沖等因素作用，軟管組件存在著鋼絲層斷絲、內管爆破、軟管在接頭處泄漏（如圖2所示）等問題，對設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 軟管組件結構示意圖

圖2 軟管在接頭處泄漏

影響軟管組件質量的因素有聚四氟乙烯內管的性能、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構形式等，其中以接頭的結構形式影響最為顯著。

本文主要通過對接頭設計的闡述，來表達接頭的結構形式對軟管組件性能的影響。

1 接頭結構形式的分類

目前我國研發(fā)的21 MPa等級的軟管組件，根據產品規(guī)格的不同，接頭的結構形式主要分為三類，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）選用倒刺式結構，中間規(guī)格（5 mm＜?＜10 mm）選用多槽式結構，較大規(guī)格（10 mm＜?＜14 mm）選用疏密槽式結構，而到了更大規(guī)格（14 mm＜?＜20 mm），又是選用多槽式結構。

上述三種接頭形式，從本質上來講，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。

本文以結構形式較為復雜的疏密式接頭為例，闡述接頭結構的設計。

2 由于接頭設計不合理造成的故障現(xiàn)象

接頭的結構設計至關重要，這是軟管組件的技術核心所在。而在實際操作中，接頭的設計往往不能很好地把握各種關鍵點，便會造成各種失效。由于接頭設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 扣壓處內管出現(xiàn)縱向裂紋

在套筒扣壓部位的尾端，內管出現(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，也有內管出現(xiàn)爆破小孔、接頭拉脫等，但是作為由于接頭結構設計造成的故障并不常見。

3 接頭的設計

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

3.1 材質

軟管組件的總成是通過套筒、內管的扣壓變形而達到，內管的變形量一般控制在20%～40%為宜，設計中，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計時的結構和尺寸不變或基本不變，就要求其材質應具有相當?shù)挠捕取?/p>

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

一般情況下，作為接頭材質，其硬度HB應不小于300，斷后伸長率δ5應不小于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。經過實踐驗證，扣壓過程中，接頭的變形量在0.2 mm以內基本不會影響產品性能。

3.2 壁厚

壁厚因素與3.1中的材質問題基本相同，根據不同的材料、不同的扣壓量設計不同的接頭壁厚，以扣壓后不改變接頭的結構和尺寸為設計原則。

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

3.3 長度

從設計角度來講，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，此處扣壓時內管的變形可以適當大一些?？估摬垡话阈枰?～4條，設計時建議給出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計的情況下，基本只起到抗拉脫作用。設計時，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，直接與內管接觸的表面。

外徑的設計原則是比增強后的軟管內徑尺寸略大0.1～0.5，根據軟管的規(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中已經述及，此處不再贅述，只是在設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。

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

抗拉脫段的設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，證明抗拉脫段的設計比較合理，如果在接頭扣壓部位，證明接頭設計或扣壓量的計算存在缺陷。

3.6 安裝倒角

設計接頭時，在最尾端應設計一定角度的倒角，以便于生產中的接頭安裝。

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一般設計為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中所提到的內管出現(xiàn)縱向小裂紋，其主要產生原因即槽深設計不合理所致。如果槽深偏小，則不能達到密封的作用，介質會穿過接頭與內管之間的空隙泄漏，導致軟管組件的失效。如果槽深偏大，內管在扣壓后由于變形過大，便已經存在了微小裂紋（在30倍的顯微鏡下觀察），經過一段時間的使用或試驗后，內管便會產生如圖6所示的縱向小裂紋導致軟管組件泄漏，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，其內管壁厚在1.0～2.0mm之間，建議其設計槽深控制在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管變形，部分內管蠕變進入密封槽，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，扣壓后容易割傷內管，便會造成如圖7所示的環(huán)向裂紋。

根據扣壓變形的原理，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，應該根據軟管的塑性性能來確定。一般情況下，壁厚在1.0～2.0mm的內管，其接頭起主要密封作用的密封筋寬度設計為0.4～1.0 mm為宜。

3.9 表面粗糙度

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

4 結論

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計中應著重注意的9個方面。在實際接頭設計中，上述9個方面可以作為設計的一個參考，但并不是一定要按其設計，還需要具體問題具體分析，根據軟管組件特定因素給予綜合考慮。

設計的合理與否，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)和技術管理工作

2010年3月