高壓軟管試驗臺自動夾緊裝置研究

李 超 朱海清 劉明亮

（江南大學機械工程學院）

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、化工及罐車等相關領域， 其中的流通介質(zhì)包括油、水、氣及砂粒等。 常見的高壓軟管基本參數(shù)為：長度1～12m，公稱通徑25～100mm，設計壓力2.5～10.0MPa，耐壓試驗壓力為1.5倍設計壓力，氣密試驗壓力為1.0倍設計壓力。在高壓或有毒有害介質(zhì)的場合下，若出現(xiàn)軟管耐壓不足而破裂或介質(zhì)泄漏等危險情況，勢必會造成人員傷害和財產(chǎn)損失。 因此，國標中對高壓軟管的檢驗方法和標準有明確規(guī)定：高壓軟管在出廠前必須進行耐壓和氣密性能試驗，并在投入工作后也需定期在相關檢驗機構中檢驗［1，2］。

目前，對高壓軟管的檢驗大多停留在手動檢驗階段，只有少數(shù)采用自動化檢驗，所以其性能試驗的可靠性和效率難以提高。 一般檢驗時通常采用法蘭連接，這種連接方式費時、費力、效率低，而且還會出現(xiàn)不同程度的機械磨損［3，4］，難以滿足批量檢測要求。 因此，開發(fā)一套快速、可靠的高壓軟管試驗裝置已經(jīng)成為重要的研究課題。

筆者以常見的標準高壓軟管為試驗對象，設計了一種新型自動夾緊試驗臺，以保證液壓夾緊密封的可靠性，同時不會因選擇過高的工作壓力和過大的液壓缸而浪費資源。

1 高壓軟管試驗臺

高壓軟管試驗臺二維結構如圖1所示。 檢驗時，待檢驗高壓軟管左右兩端各連接一個夾緊裝置，相同點在于兩夾緊裝置夾緊方式一致，不同點在于兩試驗臺內(nèi)部管閥等有所不同，且左端試驗臺底部裝有滾輪，可根據(jù)待檢驗軟管的長度而調(diào)整位置，右端試驗臺底部固定于地面。

試驗臺主要包括活動夾緊機構和內(nèi)部管閥兩部分。 試驗臺夾緊面板豎直放置并在中心開有階梯通孔， 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；密封墊塊端面設有矩形溝槽用以放置O形密封圈， 且開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各設有一個導向套筒， 導向套筒內(nèi)各安裝有一根導向管，導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，導向管的另一端穿過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 試驗臺二維結構簡圖

2 自動夾緊裝置

2.1 活動夾緊機構

活動夾緊機構（圖2）主要包括油缸、橫梁、導向管、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，托盤與試驗臺夾緊面板之間通過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向管連接固定，兩根導向套筒貫穿并固定于試驗臺面板，導向管穿過導向套筒并與之間隙配合，夾爪穿過夾爪固定座并與之間隙配合。 油缸活塞桿左右伸縮運動可依次帶動橫梁、導向管、夾爪固定座、夾爪左右運動， 實現(xiàn)夾爪與軟管法蘭接頭之間的夾緊與松開， 繼而實現(xiàn)法蘭面與密封墊塊之間的壓緊密封。

圖2 活動夾緊機構剖視圖

2.2 其他零部件

根據(jù)GB/T 14525—2010《波紋金屬軟管通用技術條件》中的相關規(guī)定：高壓軟管在進行耐壓與氣密性能檢驗時需平直放置， 不可有明顯彎曲。 為此，將試驗臺夾緊面板設計為豎直放置，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軟管法蘭接頭軸線重合，同時要保證軟管接頭端面與密封墊塊的密封面平行［5］。為此，在試驗臺夾緊面板中心孔兩側再對稱設置兩個通孔，兩導向管分別穿過兩側通孔，即與中心螺紋孔軸線平行；在兩導向管端面對稱布置活動夾爪； 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有螺紋孔外，一端面還設有5個同心圓矩形溝槽，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；另一端面設置了1個同心圓矩形溝槽，保證了密封墊塊與夾緊面板之間的密封。 夾爪對稱布置，可手動調(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用螺紋接頭或快速接頭［6，7］。 當軟管接頭為螺紋接頭或快速接頭時， 可在軟管接頭與密封墊板間加裝配套設計的轉(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)換接頭的結構形式

耐壓試驗和氣密試驗分別以水和氣為介質(zhì)。為擺脫兩項性能用兩種設備獨立完成檢驗的現(xiàn)狀，實現(xiàn)兩項性能一體化檢驗，在試驗臺內(nèi)部將水源管路與氣源管路連通，并分別以氣動球閥和單向閥控制開關，達到用一臺裝置即可完成兩項試驗的目的。

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p與受力面積A的乘積，即：

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

其中，?X為密封圈所受應力，通過壓力傳感器測量；A1為密封圈受力面積。 當出水壓力達到4.8MPa時，密封圈所承受的應力約為2.77MPa；受力面積可以按照最大管徑的密封面積計算，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 驗證試驗

3.1 檢驗流程及標準

整個檢驗過程包括外觀檢查和性能檢驗。 首先， 通過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、泄壓過程［9，10］。

相關國標［1］中規(guī)定的試驗方法和檢驗標準：高壓軟管分別在1.5倍設計壓力下進行耐壓試驗、在1.0倍設計壓力下進行氣密試驗， 結果無滲漏（漏氣）、無異常變形者判定為合格。

3.2 試驗結果分析

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

表1 3次重復性試驗不同通徑下的整體檢驗平均用時及密封情況

從泄漏情況來看，兩種連接方式下密封性都可靠；從計算檢驗時間減少率可知，液壓夾緊裝置連接條件下的檢驗時間比法蘭連接條件下平均減少約49.4%。 節(jié)省的時間體現(xiàn)在兩方面：一是液壓自動夾緊連接方式取代了手動法蘭連接方式；二是該試驗臺實現(xiàn)了耐壓與氣密性能順次一體化檢驗，取代了現(xiàn)行的用不同裝置檢驗兩項性能的方式，省去了中間拆卸與搬運所用的時間。

4 結論

4.1 采用液壓夾緊裝置對高壓軟管進行性能檢驗，提高了檢測效率，降低了勞動強度。

4.2 由液壓動力提供壓緊力， 裝置性能穩(wěn)定，試驗時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的檢驗裝置合二為一，實現(xiàn)了一體化檢驗，節(jié)約了成本。