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扣壓式海洋軟管接頭設(shè)計(jì)

發(fā)布日期：2017-08-29 閱讀量： 95 次

摘要：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,。
關(guān)鍵詞：海洋軟管,；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。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,，但對于在淺海中使用的小口徑復(fù)合軟管具有很大優(yōu)勢。因此,，扣壓式接頭仍然應(yīng)用非常廣泛,。在使用過程中，扣壓式接頭經(jīng)常會出現(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：
A1≈A2+A3 A2≈A3
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,。

套筒長度也是一個(gè)重要指標(biāo)，較長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,。在對套筒進(jìn)行選材時(shí)一般采用10號或20號碳素結(jié) 構(gòu)鋼,。

1.2 接頭芯設(shè)計(jì) 接頭芯的扣壓長度、壁厚,、結(jié)構(gòu)形狀,、材料對接頭芯的連接性能有著重要影響。接頭芯扣壓長度越長,，越有利于提高接頭的連接強(qiáng)度和密封性能,，但長度增加會使得芯桿加工困難，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,，要求接頭芯長度略低于套筒長度，如圖1所示,。接頭芯外表面的光潔度對接頭的密封性能,、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,。扣壓量不足會導(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，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,?？蹓汉螅浌軆?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?，鋸齒型凹槽的數(shù)量對接頭的連接強(qiáng)度有著較為重要的影響。對于不同的工作狀況,、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)徑選擇接觸長度,，接觸長度為軟管內(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,，并不是接觸長度越長越好，如果接觸長度過長,，不利于安裝和節(jié)約成本,。該軟管內(nèi)徑為141mm，選取接觸長度為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,，與軟管的接觸長度可以適當(dāng)增加,，槽深選取1.4mm，接觸長度選取270mm,。套筒材料則選用20號鋼,。

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。 (a) 試驗(yàn)前 (b) 試驗(yàn)后圖9 軟管接頭拔脫試驗(yàn)

5 結(jié)論

對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。