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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: 12 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。

图9 软管接头拔脱试验

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