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扣压式海洋软管接头设计

发布日期：2017-08-29 阅读量： 95 次

摘要：传统海洋软管接头多采用单纯的外扣压方法，在外径较大的情况下，采用该扣压方法，接头连接强度明显不足。针对这一难题，设计了一种具有较高连接强度的海洋软管接头，从套筒、接头芯结构以及装配工艺等方面着手，采用内胀外扣的扣压方式，显著提高了接头的连接性能。运用有限元方法计算扣压量，并通过实验进行了验证。结果表明，接头在该扣压量下具有较高的抗拉强度，满足使用要求，从而为海洋软管接头的设计和改进提供了参考。
关键词：海洋软管；软管接头；扣压量；连接强度

0 引言

海洋软管管体通过接头来进行连接，接头是海洋软管的关键部位，同时也是软管的薄弱环节。一般情况下，软管接头可以分为注胶式和扣压式两种。其中扣压式接头是一种传统的连接方式，具有结构简单、操作方便的特点。这种接头虽然连接强度、密封性能无法满足深海要求，但对于在浅海中使用的小口径复合软管具有很大优势。因此，扣压式接头仍然应用非常广泛。在使用过程中，扣压式接头经常会出现因接头结构设计不合理或加工装配中的失误，造成接头拔脱或泄漏失效的现象。对于非粘结柔性海洋软管，API 17B[4] 和API 17J [5] 做了相应规范，使用要求更高。因此，有必要对扣压式接头的结构设计、装配方法进行研究，以提高其连接质量。

1 接头结构设计

扣压式软管接头主要由接头芯、套筒和连接软管共同组成，如图1所示。装配时，将软管接头放置到预设位置，通过外扣或者外扣加内胀的方式，在压紧力的作用下使接头发生塑性变形，进而挤压软管的外胶层和内胶层，将软管管体和接头连接成一个整体。通过改变扣压量的大小可以改变接头的连接强度，连接软管管体发生弹性变形与接头紧密接触，进而产生密封效果。

图1 扣压式海洋软管接头

1.1 套筒设计套筒的形状如图2所示，套筒内径尺寸为连接软管外径加上一定间隙。间隙太小，连接软管无法装入；太大则需要过大的扣压变形，一般间隙为1.0～1.5mm。间隙量一定的情况下，套筒的外径尺寸由横截面积A2 决定。海洋软管接头在拉伸载荷作用下，有可能发生断裂失效的部位，包括接头芯卡口部位（横截面积为 A1）、套筒根部（横截面积为A2）、接头芯根部（横截面积为A3），如图1所示。接头和软管装配完成后，在轴向拉伸载荷的作用下，可能发生的失效形式有三种：软管断裂、软管拔脱或者套筒从A1、A2、A3中的一处断裂。在设计套筒和接头芯时，为了使A1、A2、 A3三个部位的强度匹配和均衡，需要满足以下关系：
A1≈A2+A3 A2≈A3
所以，为了提高接头强度，就要求提高软管强度，使软管管体与接头结合紧密，增大A1、A2、A3三个部位的横截面积。

图2 套筒形状

套筒外表面直径相等，为光滑的圆柱面。为了增强软管与接头之间的连接强度和密封性能，在套筒的内壁往往设有一定形式的凹槽，按形状可分为三种槽型，即直孔无槽型、锯齿型、锯齿型和环型的组合形。在径向压紧力的作用下，外胶层和铠装层被压缩成波浪形嵌入到套筒的凹槽内，凹槽的厚度根据外胶层的厚度和硬度来决定。对于需要较高强度的海洋软管，扣压时凹槽须采用锯齿型和环型的组合形，如图3所示。这种槽型与锯齿形槽型相比，允许更大的变形和扣压量，具有更好的连接强度和密封性能。

套筒长度也是一个重要指标，较长的套筒虽然不能增加其本身的强度，因为危险截面的面积A2没有增加，但是可以增加软管与接头之间的结合力，防止软管拔脱。在对套筒进行选材时一般采用10号或20号碳素结构钢。

1.2 接头芯设计接头芯的扣压长度、壁厚、结构形状、材料对接头芯的连接性能有着重要影响。接头芯扣压长度越长，越有利于提高接头的连接强度和密封性能，但长度增加会使得芯杆加工困难，增加制造成本。为了避免装配时在接头芯的端部发生堆胶现象，要求接头芯长度略低于套筒长度，如图1所示。接头芯外表面的光洁度对接头的密封性能、内胶层的疲劳损伤以及接头芯的疲劳强度有着重要影响，所以要严格控制接头芯外表面的光洁度。接头芯表面的光洁度一般要达到Δ5以上。

接头芯内表面为光滑圆柱面，外表面有一定形式的凹槽，现在普遍使用的是R槽和锯齿槽，如图4所示。R 槽和锯齿槽为橡胶的流动提供一定的空间，在变形的情况下橡胶不易损伤，同时增大了摩擦面积。R槽主要用于压力较小情况下的钢丝编制管，锯齿槽通常使用于对压力要求较高的缠绕管。接头芯的材料一般选用20、35 或45号钢，接头芯的壁厚一般为2～3.5mm。需要注意的是，随着接头芯的通径增大，壁厚也应该相应增加。

在理论上，经扣压后接头芯内孔不允许变形，但实际上存在变形。接头芯的外径取决于软管内径以及扣压量。扣压量不足会导致软管内流体泄漏以及接头抗拉能力不足；扣压量太大则会损伤内胶层，同时导致内胶层硬化，影响密封性能。接头芯的内径与壁厚和外径相关，内径太大造成壁厚不足，影响连接性能；内径太小会增加液阻。接头芯的内外径受到上述条件的限制，同时软管有较多功能层，各功能层材料和尺寸不尽相同。为了达到软管的使用性能要求，需要优化扣压量。

2 装配工艺设计

扣压式海洋软管接头结构简单、易于控制、容易加工，主要适用于小口径海洋软管。传统的方法是通过位移控制的方式来控制压缩量，但是该方式精度难于控制，容易产生较大误差。扣压后接头的连接性能除了与扣压量有关，还与软管本身有关。软管有多个功能层，采用不同的材料，在实际生产过程中，软管各功能层的加工误差难于检测，软管内外径的误差难于控制。因此，材料的选择以及扣压量是扣压式软管接头连接性能的关键。

一般地，对于硬度高的软管内胶层，为了保证接头的连接强度和密封性能，扣压量应该相应提高。综合以上的各种因素，需要从两个方面来提高软管接头的扣压质量。

1）改进内胶配方。采用的内胶参数为：屈服强度 12.1MPa，邵尔A硬度84，伸长率24.5%，扯断永久变形 27.5%。当内胶层具有较高的拉伸强度时，在形变过程中不易被破坏，从而保证内胶层具有较高的伸长率。

2）精确控制软管接头的装配精度。在进行装配之前，需要保证软管管体和软管接头的质量和加工精度。软管的内胶层和外胶层的加工精度对接头连接质量的影响较大，因此应保证其厚度均匀，控制软管内外径误差。本文采用内胀加外扣的扣压方式，装配前需要准确计算出内胀量和外扣量，内胀量影响软管内部的密封性，外扣量防止外部介质的渗入，内胀量和外扣量共同影响着接头的连接强度。

3 设计实例

3.1 接头芯

图5是本设计中的接头芯，接头芯的内径相等，内表面为光滑圆柱面，在接头芯外表面前部分有一定数量的锯齿型凹槽。凹槽有一条斜边，与水平轴线的夹角为 3°，凹槽的底端为水平面，短边与底端垂直，凹槽的顶端是水平面，宽度为3mm。扣压后，软管内胶层与接头芯接触，在径向压紧力的作用下内胶层被挤压与凹槽充分接触，从而产生较大的接触应力。可以看出，锯齿型凹槽的数量对接头的连接强度有着较为重要的影响。对于不同的工作状况、软管规格、功能层数量、内胶层的性能参数，需要不同数量的锯齿型凹槽。根据经验，锯齿的数量选取7个，深度为1mm。凹槽的深度与内胶层的厚度有着直接联系，通常情况下凹槽深度为内胶层厚度的12%～14%，该软管内胶层的厚度为11mm，因此锯齿的深度为1.3～1.5mm。由于该接头采用内胀外扣的安装方式，锯齿深度可适当减小，因此选用1mm，芯管材料选用45号钢。

安装时接头芯与软管内胶层接触，从作用上接触分为引入段和密封段，接触长度由软管规格、工作时的压力、内胶层机械性能和物理参数确定，但通常情况下根据软管内径选择接触长度，接触长度为软管内径的2～4 倍。内径小的软管，选择较大的倍数，随着内径的增加倍数应相应减小。此外，并不是接触长度越长越好，如果接触长度过长，不利于安装和节约成本。该软管内径为141mm，选取接触长度为134mm。

3.2 套筒

图6是本设计的扣压式接头的套筒，套筒外径相等，外表面为光滑的圆柱体，内表面为带有一定数量的锯齿型和环型的组合形凹槽。凹槽的长边与水平轴线的夹角为11°，短边与水平轴线的夹角为30°。凹槽的顶端是5.5mm宽的平面，底端是16mm宽的平面。与芯杆相对应锯齿的数量选取7个，由于套筒和外胶压紧后要能够承受较大的拉力，因此凹槽的深度适当增大，与软管的接触长度可以适当增加，槽深选取1.4mm，接触长度选取270mm。套筒材料则选用20号钢。

4 试验验证

加工了2个扣压式软管接头，装配外径规格为 Φ209.5mm的海洋软管，利用上文计算得到的扣压量，采用内胀外扣的扣压工艺，将海洋软管连接到一起，并施加轴向拉力。当轴向拉力到达78.2ton和82.4ton时，装配处发生软管拔脱失效，如图9所示。试验结果与模拟结果相近。 (a) 试验前 (b) 试验后图9 软管接头拔脱试验

5 结论

对海洋软管扣压式接头进行了结构设计，计算了接头的连接强度，并分析了影响连接强度的各项因素，对其中的关键因素扣压量进行了分析计算。研究表明，本文设计的扣压式海洋软管接头，采用内胀外扣的工艺，只要合理选择扣压量，完全可以获得较高的连接强度，满足浅海小口径复合软管的技术要求。在海洋软管接头设计中，本文的内容可作为参考，有效保证软管接头设计的合理性。