钢丝在橡胶软管中的应用

1、 钢丝在橡胶软管中的应用刘玉田(中橡集团沈阳橡胶研究设计院110021摘要介绍橡胶软管的压力等级, 高压、甚高压和超高压软管一般均用钢丝作为增强材料。增强材料的钢丝层有编织和缠绕两种结构, 相同条件下缠绕结构比编织结构软管具有更高的耐脉冲压力性能。作为增强材料的钢丝有单根的也有合成股绳的, 也有扁形的。为提高与橡胶的粘合性能, 钢丝表面要求镀黄铜、青铜或锌。钢丝的成分、性能、规格根据具体用途应满足相应条件。关键词钢丝橡胶软管应用Application of the Steel Wire in Rubber H oseLiu Y utian(Shengyang Rubber Research I

2、nstitute o f China Rubber Group 110021Abstract T o introduce the pressure grade of rubber hose. S teel wires as in high ,even high and super 2high pressure hose. These wires are braided or a wires possesses better anti 2pulse pressure property than the braided one. Am ong wires ,s ome are stranded ,

3、s ome are flat. T o raise the cohesion between the wire and rubber or zinc the sur face of steel wire. The com position ,property and size should satis fy K eyw ords ; , 广泛应用于工业、农业、军工、医疗和民生。橡胶软管有纯胶软管(非增强软管 和增强软管之分。增强橡胶软管系指在内胶层与外胶层之间或只在内胶层外面(无外胶层 有一层或多层增强材料层的软管。增强层结构多种多样, 而增强材料则基本有两大类:纤维和金属(金属增强材料一般为

4、钢丝 。钢丝增强材料是橡胶软管, 尤其是高压软管的一个重要结构成分, 在橡胶软管行业中有相当大的需求量。据保守估计, 我国现在钢丝编织橡胶软管的年产量在1000万标米以上, 钢丝缠绕橡胶软管约400万标米。钢丝编织橡胶软管以每标米钢丝耗量0. 8kg 计, 钢丝总用量为8000t ; 钢丝缠绕橡胶软管以2. 2kg 计, 总耗量为8800t , 两项合计16800t 。石油钻探橡胶软管等特种大口径软管的钢丝耗量还未计算在内。为了更好地了解钢丝在橡胶软管中的作用和橡胶软管对钢丝的要求, 下面分3个部分对钢丝在橡胶软管中的应用进行说明。1钢丝增强的橡胶软管1. 1软管压力等级增强橡胶软管的工作压力

5、, 根据S AE J 517标准, 大致分为5个等级:低压, 中压, 高压, 甚高压, 超高压。在同一等级内, 压力因软管内径而定。在相同结构情况下, 内径愈小, 所能承受的压力就愈高; 内径愈大, 所能承受的压力就愈低。低压软管用纤维材料增强; 中压软管可用纤维材料增强, 也可用钢丝增强; 而高压、甚高压和超高压软管一般均用钢丝增强, 只有特殊用途的软管采用体积质量比钢丝小而抗拉强度比钢丝高的芳酰胺纤维材料增强。钢丝增强橡胶软管的增强层有编织结构和缠绕结构, 有时也采用二者混合结构。在相同条件下, 缠绕结构软管比编织结构软管具有更高的耐脉冲压力性能。这是因为缠绕钢丝之间没有如编织结构那样的交

6、织点, 钢丝之间不会发生局部磨擦。1. 2钢丝编织结构编织结构由正反两个方向走向的两股钢丝以“两上两下”的形式相互交织而成, 呈席纹结构, 如图1所示。根据软管压力要求, 可为单层或双层, 钢丝第28卷第3期金属制品2002年6月V ol 128N o 13S teel Wire Products June 2002 规格也有粗细之别 。图1钢丝编织结构示意图1. 3钢丝缠绕结构缠绕结构由两组相邻层钢丝呈反向螺旋缠绕而成, 钢丝不相互交织, 如图2所示。钢丝缠绕层为偶数层。根据软管压力要求, 一般有2层、4层和6层之分, 钢丝也有粗细之别 。图2钢丝缠绕结构示意图1. 4特种大口径橡胶软管钢丝

7、编织和缠绕橡胶软管, 内径一般在51以下。内径大于51mm 的软管, , 如石油钻探橡胶软管、橡胶软管、软管。径橡胶软管, 但其增强层主要是浸胶纺织物(称为夹布层 , 而以铠装钢丝螺旋线辅之, 以保持软管的圆环状和承受正负压力。海上输油橡胶软管是内径为150600mm 的近海单点系泊原油输送软管, 分水下和浮式两种。由于这种软管使用条件苛刻, 其结构比较复杂, 除含有织物缓冲层外, 增强层主要由多层钢丝帘线缠绕层和钢丝螺旋线构成, 如图3所示。帘线缠绕钢丝可为单根钢丝, 也可为细的合股钢丝绳 。图3海上输油橡胶软管结构示意图石油钻探橡胶软管, 内径为64102mm , 工作压力为2752MPa

8、 , 是一种大口径超高压橡胶软管。这种软管用单根粗钢丝或合股细钢丝绳缠绕增强,一般为4层。码头排吸橡胶软管, 内径为102304mm , 工作压力为1. 55MPa , 用于码头与油轮之间排吸石油和石油制品。它其实是码头与油轮输油管线之间的软连接, 以适应油轮在水中的上下和水平浮动。这种软管一般用钢丝帘线缠绕增强, 并辅以粗钢丝螺旋线。帘线层一般为4层。这种排吸橡胶软管也可用于排吸其它化学品。2钢丝在橡胶软管中的作用增强橡胶软管是一种可屈挠的导管, 用于输送液体、气体和颗粒或粉末状固体物料, 传递液压气压动力。无论是输送物料, 还是传递动力, 软管都要承受大小不等的内压或外压(正压或负压 。因

9、此, , 使其具有耐正负压力的能力, 尤其, 。它要承受从0, 。现行国家标准, 钢丝编织软管的压力脉冲寿命为20万次, 钢丝缠绕软管为30万和50万次, 许多橡胶软管生产厂家声称, 他们的钢丝编织软管和缠绕软管的脉冲寿命都达到100万次。在橡胶软管设计中, 需要对所要求的工作压力加上一个安全系数, 即最小爆破压力与最大工作压力之比。安全系数从2到5不等, 一般为4。橡胶软管, 尤其是液压软管, 在工作期间, 不但要承受因压力而出现的内径增大、缩小和长度伸长、缩短的周期变化, 而且还要承受因弯曲变形安装而造成的周期屈挠变化。此外, 还存在着所输送的物料和传递动力的介质、气候和环境、高温和低温等

10、对内胶层和外胶层的劣化作用。所有这些因素不但直接影响橡胶软管的使用性能, 也影响软管的使用寿命。在橡胶软管设计中, 对钢丝的考虑主要是抗拉强度、韧性(屈挠性 和规格, 根据软管的压力等级选择适当的钢丝。一般说来, 钢丝的抗拉强度愈低, 屈挠性愈好, 而抗拉强度愈高, 尤其是在其上限, 屈挠性就愈差, 脆性就愈大。但是, 更为重要的是开发强度高而同时屈挠性也好的钢丝, 这将对橡胶软管的使用性能和使用寿命的提高起重要作用。钢丝与橡胶的粘合对橡胶软管, 尤其是液压软管的耐屈挠性能和脉冲性能是很重要的。橡胶软管成型硫化之后, 管体各组份之间粘合良好, 使管体成24金属制品第28卷 为一不可分割的整体,

11、 这是软管设计必须考虑的问题之一。除了在胶料配合和软管硫化方法等方面采取措施之外, 钢丝的表面处理及其镀层与橡胶的粘结也是十分重要的。3钢丝3. 1钢丝的形态不同用途需要不同的软管结构和规格, 而不同的软管结构和规格则需要使用不同形态的钢丝作为增强材料。编织和缠绕橡胶软管使用单根钢丝。在编织和缠绕之前, 使用合股机或导线机将钢丝从线轴导到锭子上。在编织机的锭子上, 钢丝以若干根为一股, 最多12根一股。在缠绕机的锭子上, 每个锭子一根钢丝,36个锭子为一组。锭子数量和每股根数的选择由软管内径而定。石油钻探橡胶软管一般使用较粗的单根钢丝, 也有使用合股细钢丝绳的。大口径的海上输油橡胶软管和码头排

12、吸橡胶软管一般使用钢丝帘线, 也有的海上输油橡胶软管使用合股细钢丝绳, 有一种粗糙内壁橡胶软管, 圆钢丝, 面的外露线(铠装 。但是, 管, 不使用钢丝作为增强层, 而是使用由条状钢片制作的螺旋互锁式可屈挠管状物作为增强层, 其本身也是内衬层而直接与石油相接触。3. 2钢丝的表面镀层为了提高钢丝与橡胶的粘合性能, 应对钢丝表面进行处理。钢丝表面通常要求镀黄铜(铜锌合金 、镀青铜(铜锡合金 和镀锌, 而以镀黄铜法最为常用。钢丝表面镀层通常为电镀, 电镀之后的钢丝在橡胶软管硫化过程中, 橡胶与钢丝的界面发生交联反应, 生成铜和锌的硫化物, 使钢丝与橡胶具有良好的粘结性能, 使其合成一体。钢丝表面镀

13、层中铜的含量和镀层的厚度对钢丝与橡胶的粘合性能有较大影响。黄铜镀层的厚度一般为0. 140. 32m , 铜的质量分数为(68±4 %; 青铜的厚度一般为0. 080. 20m , 铜的质量分数为90%98%; 镀锌量一般为23g kg 。3. 3钢丝的成分、规格和性能对编织和缠绕橡胶软管用的钢丝总的性能要求为强度高, 韧性好, 延伸率小, 具有良好的抗脉冲疲劳性能。因此, 通常采用70号高碳钢拉拔的高强度钢丝, 其主要化学成分见表1, 规格和性能见表2。表1%元最大值C 0. 600. 900. 400. 80S i 0. 30S 0. 30P 0. 30Cu 0. 10Cr 0.

14、 10Ni 0. 10M o 0. 05Sn0. 05表2胶管常用的增强钢丝(镀黄铜 规格和主要性能指标公称直径mm 公差mm抗拉强度(MPa 扭转(100×d ( 次反复弯曲( 次打结强度率%黄铜镀层质量(g kg -10. 20±0. 010215035583. 00. 25±0. 010215035583. 00. 30±0. 010215030583. 00. 40±0. 015215030582. 00. 42±0. 015215030582. 00. 50±0. 01521503040502. 00. 60

15、77;0. 01521502530502. 00. 70±0. 01521502520502. 00. 78±0. 02019502412502. 00. 80±0. 02019502412502. 034第3期刘玉田:钢丝在橡胶软管中的应用 合股钢丝绳由多根钢丝捻制而成, 要求捻合均匀, 不松散, 无应力, 平直柔软; 并注意表面清洁, 不得锈蚀和污染。其规格、结构和性能见表3。表3合股钢丝绳的规格、结构、性能和镀层质量直径mm结构最小拉力值(kN 根-1参考质量(g m -10. 60(镀黄铜 3+9×0. 150. 491. 60. 90(镀黄铜

16、7×3×0. 161. 033. 41. 20(镀黄铜 7×3×0. 201. 575. 33. 00(镀黄铜 7×7×0. 347. 35995. 10(镀黄铜7×19×0. 3421. 571039. 00(镀黄铜 7×7×7×0. 3353. 942630. 81(镀锌 1×70. 713. 52. 10(镀锌 1×74. 41243. 50(镀锌 1×1912. 26634. 00(镀锌1×1916. 1882拉钢丝, w (C 为%,

17、宜的模量和强度, 避免钢丝在缠圈过程中脆断, 应在加工过程中涂镀防锈铜镀层, 其规格和性能见表4。表4常用碳钢钢丝的规格和性能直径mm抗拉强度( MPa 弯曲( 次钢号2. 0±0. 06784525352. 6±0. 06686525353. 2±0. 08784540504. 0±0. 08784540505. 0±0. 0878454050耐压夹布橡胶软管和耐压排吸橡胶软管的铠装增强锌低碳钢丝的规格和性能见表5。表5低碳钢丝的规格和性能直径mm抗拉强度MPa扭转(L =150 次1. 60343372. 00343302. 5034324

18、3. 15343194. 00343155. 00343126. 0034310输油胶管、钻探胶管和部分大口径胶管采用扁钢丝作骨架材料, 一般用量较少, 扁钢丝的规格和性能见表6。表6扁钢丝的规格和性能宽度mm厚度mm最小拉断力kN3. 0±0. 120. 89. 3111. 1710. 01511. 6613. 92±01513. 9916. 77钢丝是增强橡胶软管的重要构成材料。它在软管承受压力、脉冲、冲击和屈挠等方面起着关键作用。应该说, 没有钢丝就不可能有高压、超高压和特种大口径橡胶软管。虽然芳酰胺纤维强度比钢丝高, 体积质量比钢丝低, 且耐高温, 在某些应用中显示出其优势, 但是钢丝的增强地位是不可取代的。我国橡胶软管行业需要优质的高抗拉强度和高韧性的钢丝, 需要综合性能良好的钢丝。我国橡胶软管行业的生产能力很大, 仅钢丝编织橡胶软管就有8000万标米,100多个生产厂家, 钢丝缠绕橡胶软管生产厂家也有30个左右, 对钢丝的需求量也比较大, 并且随着产量逐年增长, 需求量也会愈来愈大。橡胶行业与钢丝