扣壓式海洋軟管接頭設(shè)計(jì)

吳翔實(shí)，余榮華，高連新，袁鵬斌

（1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.上海海隆石油管材研究所，上海 200949；3.海隆石油工業(yè)集團(tuán)有限公司，上海 200949）

扣壓式海洋軟管接頭設(shè)計(jì)

吳翔實(shí)1，余榮華2，高連新1，袁鵬斌3

（1.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.上海海隆石油管材研究所，上海 200949；3.海隆石油工業(yè)集團(tuán)有限公司，上海 200949）

傳統(tǒng)海洋軟管接頭多采用單純的外扣壓方法，在外徑較大的情況下，采用該扣壓方法，接頭連接強(qiáng)度明顯不足。針對(duì)這一難題，設(shè)計(jì)了一種具有較高連接強(qiáng)度的海洋軟管接頭，從套筒、接頭芯結(jié)構(gòu)以及裝配工藝等方面著手，采用內(nèi)脹外扣的扣壓方式，顯著提高了接頭的連接性能。運(yùn)用有限元方法計(jì)算扣壓量，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，接頭在該扣壓量下具有較高的抗拉強(qiáng)度，滿足使用要求，從而為海洋軟管接頭的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了參考。

海洋軟管；接頭；扣壓量；連接強(qiáng)度

0 引言

海洋軟管管體通過接頭來進(jìn)行連接，接頭是海洋軟管的關(guān)鍵部位，同時(shí)也是軟管的薄弱環(huán)節(jié)。一般情況下，軟管接頭可以分為注膠式和扣壓式兩種[1]。其中扣壓式接頭是一種傳統(tǒng)的連接方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)。這種接頭雖然連接強(qiáng)度、密封性能無法滿足深海要求，但對(duì)于在淺海中使用的小口徑復(fù)合軟管具有很大優(yōu)勢(shì)。因此，扣壓式接頭仍然應(yīng)用非常廣泛[2,3]。在使用過程中，扣壓式接頭經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或加工裝配中的失誤，造成接頭拔脫或泄漏失效的現(xiàn)象。對(duì)于非粘結(jié)柔性海洋軟管，API 17B[4]和API 17J[5]做了相應(yīng)規(guī)范，使用要求更高。因此，有必要對(duì)扣壓式接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配方法進(jìn)行研究，以提高其連接質(zhì)量。

1 接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扣壓式軟管接頭主要由接頭芯、套筒和連接軟管共同組成，如圖1所示。裝配時(shí)，將軟管接頭放置到預(yù)設(shè)位置，通過外扣或者外扣加內(nèi)脹的方式，在壓緊力的作用下使接頭發(fā)生塑性變形，進(jìn)而擠壓軟管的外膠層和內(nèi)膠層，將軟管管體和接頭連接成一個(gè)整體。通過改變扣壓量的大小可以改變接頭的連接強(qiáng)度，連接軟管管體發(fā)生彈性變形與接頭緊密接觸，進(jìn)而產(chǎn)生密封效果。

圖1 扣壓式海洋軟管接頭

1.1 套筒設(shè)計(jì)

套筒的形狀如圖2所示，套筒內(nèi)徑尺寸為連接軟管外徑加上一定間隙。間隙太小，連接軟管無法裝入；太大則需要過大的扣壓變形，一般間隙為1.0～1.5mm。間隙量一定的情況下，套筒的外徑尺寸由橫截面積A2決定。海洋軟管接頭在拉伸載荷作用下，有可能發(fā)生斷裂失效的部位，包括接頭芯卡口部位（橫截面積為A1）、套筒根部（橫截面積為A2）、接頭芯根部（橫截面積為A3），如圖1所示。接頭和軟管裝配完成后，在軸向拉伸載荷的作用下，可能發(fā)生的失效形式有三種：軟管斷裂、軟管拔脫或者套筒從A1、A2、A3中的一處斷裂。在設(shè)計(jì)套筒和接頭芯時(shí)，為了使A1、A2、A3三個(gè)部位的強(qiáng)度匹配和均衡，需要滿足以下關(guān)系：

所以，為了提高接頭強(qiáng)度，就要求提高軟管強(qiáng)度，使軟管管體與接頭結(jié)合緊密，增大A1、A2、A3三個(gè)部位的橫截面積。

圖2 套筒形狀

套筒外表面直徑相等，為光滑的圓柱面。為了增強(qiáng)軟管與接頭之間的連接強(qiáng)度和密封性能，在套筒的內(nèi)壁往往設(shè)有一定形式的凹槽，按形狀可分為三種槽型，即直孔無槽型、鋸齒型、鋸齒型和環(huán)型的組合形。在徑向壓緊力的作用下，外膠層和鎧裝層被壓縮成波浪形嵌入到套筒的凹槽內(nèi)，凹槽的厚度根據(jù)外膠層的厚度和硬度來決定。對(duì)于需要較高強(qiáng)度的海洋軟管，扣壓時(shí)凹槽須采用鋸齒型和環(huán)型的組合形，如圖3所示。這種槽型與鋸齒形槽型相比，允許更大的變形和扣壓量，具有更好的連接強(qiáng)度和密封性能。

套筒長(zhǎng)度也是一個(gè)重要指標(biāo)，較長(zhǎng)的套筒雖然不能增加其本身的強(qiáng)度，因?yàn)槲ｋU(xiǎn)截面的面積A2沒有增加，但是可以增加軟管與接頭之間的結(jié)合力，防止軟管拔脫。在對(duì)套筒進(jìn)行選材時(shí)一般采用10號(hào)或20號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

圖3 套筒內(nèi)部的槽型示意圖

圖4 芯桿槽型結(jié)構(gòu)

1.2 接頭芯設(shè)計(jì)

接頭芯的扣壓長(zhǎng)度、壁厚、結(jié)構(gòu)形狀、材料對(duì)接頭芯的連接性能有著重要影響。接頭芯扣壓長(zhǎng)度越長(zhǎng)，越有利于提高接頭的連接強(qiáng)度和密封性能，但長(zhǎng)度增加會(huì)使得芯桿加工困難，增加制造成本。為了避免裝配時(shí)在接頭芯的端部發(fā)生堆膠現(xiàn)象，要求接頭芯長(zhǎng)度略低于套筒長(zhǎng)度，如圖1所示。接頭芯外表面的光潔度對(duì)接頭的密封性能、內(nèi)膠層的疲勞損傷以及接頭芯的疲勞強(qiáng)度有著重要影響，所以要嚴(yán)格控制接頭芯外表面的光潔度。接頭芯表面的光潔度一般要達(dá)到Δ5以上。

接頭芯內(nèi)表面為光滑圓柱面，外表面有一定形式的凹槽，現(xiàn)在普遍使用的是R槽和鋸齒槽，如圖4所示。R槽和鋸齒槽為橡膠的流動(dòng)提供一定的空間，在變形的情況下橡膠不易損傷，同時(shí)增大了摩擦面積。R槽主要用于壓力較小情況下的鋼絲編制管，鋸齒槽通常使用于對(duì)壓力要求較高的纏繞管。接頭芯的材料一般選用20、35或45號(hào)鋼，接頭芯的壁厚一般為2～3.5mm。需要注意的是，隨著接頭芯的通徑增大，壁厚也應(yīng)該相應(yīng)增加。

在理論上，經(jīng)扣壓后接頭芯內(nèi)孔不允許變形，但實(shí)際上存在變形。接頭芯的外徑取決于軟管內(nèi)徑以及扣壓量?？蹓毫坎蛔銜?huì)導(dǎo)致軟管內(nèi)流體泄漏以及接頭抗拉能力不足；扣壓量太大則會(huì)損傷內(nèi)膠層，同時(shí)導(dǎo)致內(nèi)膠層硬化，影響密封性能。接頭芯的內(nèi)徑與壁厚和外徑相關(guān)，內(nèi)徑太大造成壁厚不足，影響連接性能；內(nèi)徑太小會(huì)增加液阻。接頭芯的內(nèi)外徑受到上述條件的限制，同時(shí)軟管有較多功能層，各功能層材料和尺寸不盡相同。為了達(dá)到軟管的使用性能要求，需要優(yōu)化扣壓量。

2 裝配工藝設(shè)計(jì)

扣壓式海洋軟管接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、容易加工，主要適用于小口徑海洋軟管。傳統(tǒng)的方法是通過位移控制的方式來控制壓縮量，但是該方式精度難于控制，容易產(chǎn)生較大誤差。扣壓后接頭的連接性能除了與扣壓量有關(guān)，還與軟管本身有關(guān)。軟管有多個(gè)功能層，采用不同的材料，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，軟管各功能層的加工誤差難于檢測(cè)，軟管內(nèi)外徑的誤差難于控制。因此，材料的選擇以及扣壓量是扣壓式軟管接頭連接性能的關(guān)鍵。

一般地，對(duì)于硬度高的軟管內(nèi)膠層，為了保證接頭的連接強(qiáng)度和密封性能，扣壓量應(yīng)該相應(yīng)提高。綜合以上的各種因素，需要從兩個(gè)方面來提高軟管接頭的扣壓質(zhì)量。

1）改進(jìn)內(nèi)膠配方。采用的內(nèi)膠參數(shù)為：屈服強(qiáng)度12.1MPa，邵爾A硬度84，伸長(zhǎng)率24.5%，扯斷永久變形27.5%。當(dāng)內(nèi)膠層具有較高的拉伸強(qiáng)度時(shí)，在形變過程中不易被破壞，從而保證內(nèi)膠層具有較高的伸長(zhǎng)率。

2）精確控制軟管接頭的裝配精度。在進(jìn)行裝配之前，需要保證軟管管體和軟管接頭的質(zhì)量和加工精度。軟管的內(nèi)膠層和外膠層的加工精度對(duì)接頭連接質(zhì)量的影響較大，因此應(yīng)保證其厚度均勻，控制軟管內(nèi)外徑誤差。本文采用內(nèi)脹加外扣的扣壓方式，裝配前需要準(zhǔn)確計(jì)算出內(nèi)脹量和外扣量，內(nèi)脹量影響軟管內(nèi)部的密封性，外扣量防止外部介質(zhì)的滲入，內(nèi)脹量和外扣量共同影響著接頭的連接強(qiáng)度。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 接頭芯

圖5是本設(shè)計(jì)中的接頭芯，接頭芯的內(nèi)徑相等，內(nèi)表面為光滑圓柱面，在接頭芯外表面前部分有一定數(shù)量的鋸齒型凹槽。凹槽有一條斜邊，與水平軸線的夾角為3°，凹槽的底端為水平面，短邊與底端垂直，凹槽的頂端是水平面，寬度為3mm?？蹓汉?，軟管內(nèi)膠層與接頭芯接觸，在徑向壓緊力的作用下內(nèi)膠層被擠壓與凹槽充分接觸，從而產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力?？梢钥闯觯忼X型凹槽的數(shù)量對(duì)接頭的連接強(qiáng)度有著較為重要的影響。對(duì)于不同的工作狀況、軟管規(guī)格、功能層數(shù)量、內(nèi)膠層的性能參數(shù)，需要不同數(shù)量的鋸齒型凹槽。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，鋸齒的數(shù)量選取7個(gè)，深度為1mm。凹槽的深度與內(nèi)膠層的厚度有著直接聯(lián)系，通常情況下凹槽深度為內(nèi)膠層厚度的12%～14%，該軟管內(nèi)膠層的厚度為11mm，因此鋸齒的深度為1.3～1.5mm。由于該接頭采用內(nèi)脹外扣的安裝方式，鋸齒深度可適當(dāng)減小，因此選用1mm，芯管材料選用45號(hào)鋼。

安裝時(shí)接頭芯與軟管內(nèi)膠層接觸，從作用上接觸分為引入段和密封段，接觸長(zhǎng)度由軟管規(guī)格、工作時(shí)的壓力、內(nèi)膠層機(jī)械性能和物理參數(shù)確定，但通常情況下根據(jù)軟管內(nèi)徑選擇接觸長(zhǎng)度，接觸長(zhǎng)度為軟管內(nèi)徑的2～4倍。內(nèi)徑小的軟管，選擇較大的倍數(shù)，隨著內(nèi)徑的增加倍數(shù)應(yīng)相應(yīng)減小。此外，并不是接觸長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，如果接觸長(zhǎng)度過長(zhǎng)，不利于安裝和節(jié)約成本。該軟管內(nèi)徑為141mm，選取接觸長(zhǎng)度為134mm。

3.2 套筒

圖6是本設(shè)計(jì)的扣壓式接頭的套筒，套筒外徑相等，外表面為光滑的圓柱體，內(nèi)表面為帶有一定數(shù)量的鋸齒型和環(huán)型的組合形凹槽。凹槽的長(zhǎng)邊與水平軸線的夾角為11°，短邊與水平軸線的夾角為30°。凹槽的頂端是5.5mm寬的平面，底端是16mm寬的平面。與芯桿相對(duì)應(yīng)鋸齒的數(shù)量選取7個(gè)，由于套筒和外膠壓緊后要能夠承受較大的拉力，因此凹槽的深度適當(dāng)增大，與軟管的接觸長(zhǎng)度可以適當(dāng)增加，槽深選取1.4mm，接觸長(zhǎng)度選取270mm。套筒材料則選用20號(hào)鋼。

圖5 設(shè)計(jì)芯管

圖6 套筒模型

3.3 扣壓尺寸計(jì)算

正確的扣壓是影響連接性能的關(guān)鍵因素，扣壓時(shí)需采用專門的扣壓設(shè)備?？蹓簳r(shí)對(duì)套筒和接頭芯施加徑向載荷，在擠壓力的作用下套筒外徑縮小，接頭芯內(nèi)徑擴(kuò)大，接頭與軟管充分接觸。因此套筒外徑和接頭芯內(nèi)徑的扣壓量直接影響連接性能和使用壽命。計(jì)算軟管扣壓量的經(jīng)驗(yàn)公式[6]為：

可以得出扣壓變化尺寸為：

在直徑方向上扣壓量為12.4mm，在半徑方向上扣壓量為6.2mm。

3.4 接頭抗拉能力計(jì)算

危險(xiǎn)截面A2、A3（如圖1所示）的面積分別為3414mm2、2914mm2，屈服強(qiáng)度分別為245MPa、355MPa。則接頭的抗拉強(qiáng)度為：

該接頭的抗拉能力遠(yuǎn)大于使用要求中的30ton。

3.5 裝配后接頭抗拔脫能力計(jì)算

用有限元方法分析接頭的抗拔脫能力大小。計(jì)算采用的材料參數(shù)如表1所示。

軟管功能層較多，因此需要對(duì)軟管進(jìn)行簡(jiǎn)化，分為外膠層、鎧裝層和內(nèi)膠層。簡(jiǎn)化后的模型如圖7所示。

將軟管和接頭粘結(jié)到一起，固定接頭芯桿的右端，同時(shí)對(duì)鎧裝層施加拉力，其應(yīng)力分布如圖8所示。

當(dāng)鎧裝層拉力達(dá)到92.5ton時(shí)，在內(nèi)膠層開始出現(xiàn)屈服，軟管發(fā)生拔脫失效，接頭的拔脫強(qiáng)度雖然低于接頭材料的抗拉強(qiáng)度（180.4ton），但遠(yuǎn)大于使用要求的30ton。

3.6 扣壓尺寸模擬

傳統(tǒng)的海洋軟管單純采用外扣方法[8]，在外徑較大時(shí)連接強(qiáng)度明顯不足，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)脹外扣的方式。模擬計(jì)算得知，當(dāng)接頭芯的扣壓量為4.1mm，套筒的扣壓量為1.75mm時(shí)，軟管出現(xiàn)了明顯的堆膠，此時(shí)接頭的總扣壓量為5.85mm。因此接頭芯的扣壓量不宜超過4.1mm，套筒的扣壓量不宜超過1.74mm。

表1 材料參數(shù)

圖7 裝配模型

圖8 接頭應(yīng)力分布云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

加工了2個(gè)扣壓式軟管接頭，裝配外徑規(guī)格為Φ209.5mm的海洋軟管，利用上文計(jì)算得到的扣壓量，采用內(nèi)脹外扣的扣壓工藝，將海洋軟管連接到一起，并施加軸向拉力。當(dāng)軸向拉力到達(dá)78.2ton和82.4ton時(shí)，裝配處發(fā)生軟管拔脫失效，如圖9所示。試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相近。

圖9 軟管接頭拔脫試驗(yàn)

5 結(jié)論

對(duì)海洋軟管扣壓式接頭進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算了接頭的連接強(qiáng)度，并分析了影響連接強(qiáng)度的各項(xiàng)因素，對(duì)其中的關(guān)鍵因素扣壓量進(jìn)行了分析計(jì)算。研究表明，本文設(shè)計(jì)的扣壓式海洋軟管接頭，采用內(nèi)脹外扣的工藝，只要合理選擇扣壓量，完全可以獲得較高的連接強(qiáng)度，滿足淺海小口徑復(fù)合軟管的技術(shù)要求。在海洋軟管接頭設(shè)計(jì)中，本文的內(nèi)容可作為參考，有效保證軟管接頭設(shè)計(jì)的合理性。

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Design of end fitting connectors by swaging on marine flexible pipes

WU Xiang-shi1, YU Rong-hua2, GAO Lian-xin1, YUAN Peng-bin3

TE952

：B

1009-0134(2017)07-0114-05

2016-09-26

上海市科委科研項(xiàng)目（14DZ1204400）

吳翔實(shí)（1992 -），男，安徽人，碩士研究生，研究方向?yàn)槭豌@桿接頭的力學(xué)分析與有限元仿真。