CN106337983A - 一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，包括挠性管体、扣压接头，所述挠性管体的两端为直管段并分别对称设置有所述的扣压接头，所述扣压接头之间的挠性管体为沿径向向外拱的单一圆弧形管体，所述挠性管体由内向外依次包括内胶层、骨架层、外胶层，所述的扣压接头为轴向扣压接头，所述轴向扣压接头是由设置在内胶层外的外压环及设置在骨架层外的内压环夹持翻转反包后的骨架层后与所述挠性管体经硫化一体成型，所述内压环外设置活套法兰。所有亟需一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，来解决传统管体不能同时满足减震降噪、抗冲击、抗拔脱性、位移补偿、安装便捷、稳定可靠的技术问题。

Description

一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管

技术领域

本发明涉及一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，属于管道连接件技术领域，主要用于各类油、水等工作介质的管路系统。

背景技术

在石油、化工、船舶等各类工业领域中，液压、气压等管路在热胀冷缩、振动冲击等因素的作用下，会产生相应的力和位移，因此在管路系统中大量采用橡胶挠性接管，起到减振降噪、抗冲击、位移补偿和传递介质的作用，在设计和使用中，需要考虑管体耐压强度、位移补偿能力、减振降噪能力等性能，同时还需要考虑挠性接管规格尺寸、产品重量和接头安全可靠性等因素。

中、低压管路系统中，很多泵等设备的安装空间较小，通常在这种情况下多采用橡胶减震接管(见图1)、单/双球管等挠性接管产品(见图2)，或者采用综合性能较好的固定法兰结构的弧形挠性接管产品(见图3)。在传统技术领域里，上述三种挠性接管产品在实际应用中各有优劣，分析如下：

(1)橡胶减震接管：制造工艺简单，具有一定的位移补偿能力和减振性能，但由于其没有骨架层，可靠性较低；管体内部充压状态下挠性较低，因此位移补偿能力和减振效果都非常有限；通过螺钉紧固后密封面密封，螺钉松动易导致泄漏；安装螺纹孔为固定孔，安装不便；

(2)单/双球管：法兰可自由旋转，便于安装，但密封面易蠕变、老化导致失效，且存在拔脱风险，不适用于长度较大的挠性接管；

(3)固定法兰式挠性接管：接头具有优异的抗拔脱性、密封性，性能良好且稳定，但法兰为固定在所述管体上，不便于安装，接头结构复杂导致挠性接管重量较大。

随着技术的发展，在各领域的管路系统中，挠性接管的安全可靠性和综合力学性能越来越受到重视，对于管路系统的减振元器件，需要重点考虑其减振降噪能力、抗冲击能力、位移补偿能力、安全可靠性和安装使用便捷性等，上述几种挠性接管产品均不能很好的满足。

所有亟需一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，来解决传统管体不能同时满足减震降噪、抗冲击、抗拔脱性、位移补偿、安装便捷、稳定可靠的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，来解决传统管体不能同时满足减震降噪、抗冲击、抗拔脱性、位移补偿、安装便捷、稳定可靠的技术问题。

本发明采用以下的技术方案：

一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，包括挠性管体、扣压接头，：所述挠性管体(10)的两端为直管段并分别对称设置有所述的扣压接头，所述扣压接头之间的挠性管体为沿径向向外拱的单一圆弧形管体，所述挠性管体(10)由内向外依次包括内胶层(2)、骨架层(3)、外胶层(4)，所述的扣压接头为轴向扣压接头，所述轴向扣压接头是由设置在内胶层(2)外的外压环(5)及设置在骨架层(3)外的内压环(6)夹持翻转反包后的骨架层(3)后与所述挠性管体(10)经硫化一体成型，所述内压环(6)外设置活套法兰(1)。

所述的圆弧形半径r等于该圆弧形挠性管体段落的长度L；所述骨架缠绕层需取偶数层，相邻两层交叉缠绕。

所述轴向扣压接头中，所述活套法兰(1)为法兰盘结构，所述扣压接头包括外压环(5)、内压环(6)，所述外压环(5)、内压环(6)为环形套结构，所述外压环(5)外套在所述挠性管体(10)端部的内胶层(2)外，所述的内胶层(2)端部外设置有一圈环形的凸台(21)，所述外压环(5)内圈端部设置有与其对应的环形凹陷(51)，所述凸台(21)嵌入所述凹陷(51)内形成接头与管内输送介质的密封结构；所述外压环(5)沿其外圈向后翻折使其截面呈L型，翻出部分是筒形压环(52)；

所述内压环(6)前端沿其端面向外翻折使其截面呈倒立的L型，所述内压环(6)套在所述骨架层(3)外的部分是筒形外套(62)，所述筒形外套(62)后端与所述外胶层(4)的接触面成斜面相抵，所述外胶层(4)的接触面位于该斜面之上与所述筒形外套(62)的接触面构成与管体外部的密封结构；所述内压环(6)外翻的部分是环形盘(61)，所述骨架层(3)前端向外向后翻折反包住所述环形盘(61)前端面与侧壁，所述环形盘(61)嵌入所述外压环(5)的L形被包裹，所述环形盘(61)的前端面与所述外压环(5)的后端面相抵并加持所述骨架层(3)，所述筒形压环(52)外套所述环形盘(61)并夹持所述骨架层(3)前端，所述筒形压环(52)的高度小于所述环形盘(61)的厚度，所述活套法兰(1)套接在所述筒形外套(62)上并与所述环形盘(61)的后端面相抵，所述挠性管体(10)的内胶层(2)、骨架层(3)、外胶层(4)、外压环(5)、内压环(6)经硫化一体成型。

所述外压环(5)、内压环(6)、活套法兰(1)是金属材料制成。

所述外压环(5)、内压环(6)的接触面设置有相互咬合的波浪形或倒锯齿状的齿牙(7)咬合压紧所述骨架层(3)。

所述挠性管体内胶层(2)、外胶层(4)为橡胶材质，所述骨架层(3)采用浸胶芳纶帘线制作，所述挠性管体(10)经硫化一体成型；所述外压环(5)、内压环(6)接触面涂胶。

所述内压环(6)的外翻转折角为圆弧过渡，所述的外压环(5)对应该圆弧设置弧线过渡。

本发明的优点如下：

1.挠性管体金属接头和橡胶管体两部分组成，通过将金属接头压合、硫化和管体进行一体化成型，对骨架材料起到夹合自锁作用，实现良好的抗拔脱性能；接头法兰为活法兰结构，密封面为刚性密封，具有安装方便、密封性好、可靠性高等特点；管体采用高性能芳纶帘线作为骨架增强层材料，具有超高强度、高模量、耐曲挠、重量轻等性能特点，可以实现挠性接管管体的高耐压强度、低刚度、耐疲劳性，保证挠性接管具有优良的力学性能和可靠性能。

2.管体为弧形管体结构，具有良好的减振降噪、抗冲击、大位移补偿性能。本设计结构适用于DN40通径以上，安装空间较小的中、低压管路系统的挠性接管的设计和制造。应用该结构方案的挠性接管具有力学性能优、减振降噪效果好、位移补偿能力强、轻量、安装方便等特点。

3.本发明轴向扣压接头结构通过骨架层(3)翻起反包结构，将传统径向扣压形式转换为轴向扣压，两者扣压尺寸相当，即在保证接头强度、抗拔脱性和可靠性的前提下，节省了轴向空间尺寸，与同等长度的普通挠性管体相比，管体挠性段更长，减振抗冲性能更优。采用硫化一体化成型技术使该接头与管体更加牢固结合，强化了接头的强度、抗拔脱性和安全可靠性。采用本发明轴向扣压接头结构实现了以小的法兰接头尺寸获得良好的接头强度、抗拔脱性、密封性和可靠性；

4.本发明轴向扣压接头安装后，由螺栓固定，接头各部分夹合，内、外压环的结构设计及由于设计加工相吻合的波浪状或有角度的倒锯齿状结构，将骨架层压紧后，内、外压环压合锁紧可实现自锁功能，随着管体内介质压强的增大，作用在接头骨架层上压合力也相应增大，进一步加强自锁功能，达到接头设计的理想力学状态；在高压条件下自锁功能优势更加明显，进一步加强接头强度及可靠性。确保了其减振性、抗冲击性以及其可靠性。

5.具有大位移补偿能力的活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管管体骨架材料采用芳纶帘线，其强度可与钢丝相媲美，又具有良好的非金属特性，可实现挠性接管的高耐压强度、较低刚度、高抗疲劳性能和良好的振动噪声阻隔性能。

6.本发明轴向扣压接头的挠性管体密封面为扣压接头刚性密封，不易老化、可实现多次安装拆卸、安装精度要求低、可靠性高，选用适当的密封件可以有效保证连接密封性；相比传统翻边活法兰式接头结构的密封面，其采用橡胶翻边结构的密封面，易蠕变、易老化、多次安装使用易造成橡胶面破坏、安装精度要求高导致密封失效。可根据挠性接管规格型号、工况要求、接口标准进行尺寸设计，适应各种工况下的挠性接管接头结构要求。

附图说明：

图1为传统技术的橡胶减震接管结构示意图；

图2为传统技术的双球体挠性接管结构示意图；

图3为传统技术的固定法兰结构的弧形脑型接管示意图；

图4为本发明的整体结构示意图；

图5为本发明弧形管体结构剖面示意图；

图6为本发明弧形管体内压作用下的应力分解示意图；

图7为本发明弧形管体成型参数计算程序界面示意图；

图8为本发明弧形管的实际缠绕角随管体轴线变化的坐标曲线示意图；

图9为本发明骨架单元分析示意图；

图10为本发明扣压接头剖面结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

以下实施例仅是为清楚说明本发明所作的举例，而并非对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在下述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，而这些属于本发明精神所引出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

参见附图4-10，一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，包括挠性管体、扣压接头，：所述挠性管体10的两端为直管段并分别对称设置有所述的扣压接头，所述扣压接头之间的挠性管体为沿径向向外拱的单一圆弧形管体，所述挠性管体10由内向外依次包括内胶层2、骨架层3、外胶层4，所述的扣压接头为轴向扣压接头，所述轴向扣压接头是由设置在内胶层2外的外压环5及设置在骨架层3外的内压环6夹持翻转反包后的骨架层3后与所述挠性管体10经硫化一体成型，所述内压环6外设置活套法兰1。

所述的圆弧形半径r等于该圆弧形挠性管体段落的长度L；所述骨架缠绕层需取偶数层，相邻两层交叉缠绕。

所述轴向扣压接头中，所述活套法兰1为法兰盘结构，所述扣压接头包括外压环5、内压环6，所述外压环5、内压环6为环形套结构，所述外压环5外套在所述挠性管体10端部的内胶层2外，所述的内胶层2端部外设置有一圈环形的凸台21，所述外压环5内圈端部设置有与其对应的环形凹陷51，所述凸台21嵌入所述凹陷51内形成接头与管内输送介质的密封结构；所述外压环5沿其外圈向后翻折使其截面呈L型，翻出部分是筒形压环52；

所述内压环6前端沿其端面向外翻折使其截面呈倒立的L型，所述内压环6套在所述骨架层3外的部分是筒形外套62，所述筒形外套62后端与所述外胶层4的接触面成斜面相抵，所述外胶层4的接触面位于该斜面之上与所述筒形外套62的接触面构成与管体外部的密封结构；所述内压环6外翻的部分是环形盘61，所述骨架层3前端向外向后翻折反包住所述环形盘61前端面与侧壁，所述环形盘61嵌入所述外压环5的L形被包裹，所述环形盘61的前端面与所述外压环5的后端面相抵并加持所述骨架层3，所述筒形压环52外套所述环形盘61并夹持所述骨架层3前端，所述筒形压环52的高度小于所述环形盘61的厚度，所述活套法兰1套接在所述筒形外套62上并与所述环形盘61的后端面相抵，所述挠性管体10的内胶层2、骨架层3、外胶层4、外压环5、内压环6经硫化一体成型。

所述外压环5、内压环6、活套法兰1是金属材料制成。

所述外压环5、内压环6的接触面设置有相互咬合的波浪形或倒锯齿状的齿牙7咬合压紧所述骨架层3。

所述挠性管体内胶层2、外胶层4为橡胶材质，所述骨架层3采用浸胶芳纶帘线制作，所述挠性管体10经硫化一体成型；所述外压环5、内压环6接触面涂胶。

所述内压环6的外翻转折角为圆弧过渡，所述的外压环5对应该圆弧设置弧线过渡。

本发明的主要技术方案是对橡胶管体和接头结构进行优化设计，主要包括以下几方面内容：

1.管体材料设计：充分考虑环境要求、耐介质要求、与骨架材料的粘合要求、与接头金属材料的粘合要求以及抗老化、抗疲劳、气密性等技术条件，设计制备橡胶，以达到良好的环境适应性和良好的力学性能；

2.骨架材料设计：采用浸胶芳纶帘线作为管体骨架层材料，利用芳纶纤维所具有的超高强度、高模量、耐高温、耐酸、耐碱、重量轻以及良好的绝缘性和抗老化性等性能特点，通过浸胶工艺，实现芳纶与橡胶材料的良好结合，使管体获得高强度、低刚度的良好力学性能。

3.管体结构设计：通过理论分析和建立数学模型进行模拟分析，设计并优化弧形管体结构，通过对骨架材料力学分析、包覆角度设计、成型方式研究，实现特殊的弧形管体成型，使挠性接管获得良好的振动噪声阻隔性能和大位移补偿能力。

4.接头结构设计：采用活法兰抗拔脱接头结构使管体材料、骨架材料以物理、化学相结合的方式与金属接头有效结合，并以“夹合自锁”的结构方式，使管体与法兰接头形成牢固可靠的一体化结构，在保证管体达到理想的力学状态同时，法兰接头具备优良的抗拔脱性和密封性，从而达到挠性接管最优化的结构设计。

在挠性接管设计中时，管体结构设计和成型工艺设计是重点，由于管体具有特殊的弧形结构，弧形管体结构挠性接管骨架层缠绕理论与直管相比要复杂得多，不仅与芳纶帘线的捻度、拉伸模量及断裂应变有关，还与弧形管体本身的结构特点有关。

弧形管体结构示意图如图5，经研究，可建立曲面上的曲线方程式(1)及母线方程式(2)：(r为弧形半径，x、y、z为坐标值，φ为周向任意一点的与Y轴夹角)

经分析可得曲面上任一曲线与母线的夹角满足关系式(3)：

对弧形管体在工作压力作用下的受力状态进行应力分析，如图6。

图6中，δm与δn分别为曲面微元的周向应力与轴向应力。

经分析可得微元的轴向力如式(4)：

微元的周向力如式(5)：

微元所受水压力如式(6)

其中，t为管壁厚。

经推导，可得骨架层缠绕轨迹方程式(7)：

$\mathrm{\φ}=arctan\sqrt{1+\frac{\sqrt{r^2-\frac{L^2}{4}}-R}{\sqrt{r^2-x^2}}}---\left(7\right)$

当r→+∞时，这与直管的中性角一致，充分说明上述分析的正确性。

根据上述理论研究的结果，提出弧形管体结构设计方案如下：

a)弧形体结构设计

如图5，挠性接管通径2R为已知值，管体轴向长度L已知，如果确定圆弧半径r，则弧形体几何结构即可确定。由已知条件易知，圆弧半径r≥L/2，当r→∞时，管体即为直管段。为保证挠性接管具有足够的位移补偿能力，并且工作时不致因流体流动引起过大的空泡噪声，圆弧半径r的选取必须合理。经研究，选取r＝L。

b)骨架层缠绕轨迹设计

骨架层缠绕轨迹按公式(8)执行，由于r＝L，则有：

$\mathrm{\φ}=arctan\sqrt{1+\frac{\sqrt{3}L-2R}{2\sqrt{L^2-x^2}}}---\left(8\right)$

由于不同的挠性接管挠性段长度L及通径2R均不相同，因此其缠绕轨迹也各不相同，需要在工艺设计工作中进行分析计算。

c)骨架层缠绕层数设计

骨架层缠绕层属需要根据挠性接管公称通径、工作压力等条件进行分别设计，设计需要保证管体具有高耐压性能，且须保证管体骨架受力均匀，故骨架缠绕层需取偶数层，相邻两层交叉缠绕。

为实现所设计的挠性接管结构，需要对管体成型工艺进行设计研究，通过研究，简单的成型理论不能实现弧形管体的成型过程，为解决弧形管体成型技术，在理论分析的基础上编写了弧形管体成型参数计算程序(见图7)，并经过分析计算，求解出弧形管的实际缠绕角随管体轴线变化的坐标曲线(见图8)。在此基础上，工装模具实现了弧形管体的成型工艺。

另外对于管体材料，一方面需要根据工作介质设计橡胶材料，根据工作压力设计骨架材料的缠绕包覆密度和层数，并采用相应的工艺保证骨架材料与橡胶材料的有效粘合；另一方面对于金属接头，需将内、外压环的压合槽面经过喷砂、清理、喷涂胶黏剂、烘干一系列工序，达到与橡胶及骨架材料良好黏结的要求，挠性接管管体完成后，安装接头并将管体骨架材料翻起用内、外压环夹合，采用工装压紧，使骨架材料与接头通过夹合方式构成整体，通过硫化获得具有既定性能指标要求的挠性接管产品。

按照上述结构设计和工艺设计，具有大位移补偿能力的活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管采用了轻质、高性能的管体材料和结构简单、结构可靠的接头形式，可以使挠性接管具有以下性能特点：

1)重量轻，耐压强度高；

2)尺寸小，可以适应小空间的管路减振安装需求；

3)管体刚度低、挠性段长，位移补偿能力强，具有良好抗冲击能力；

4)结构优化，材料性能优，挠性接管具有良好的减振降噪能力；

5)接头抗拔脱能力强，密封性好；

6)具有良好的耐候性、环境适应性。

经分析计算，具有大位移补偿能力的活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管设计结构可以广泛用于DN40通径以上的中、低压管路系统的挠性接管的设计和制造。

本发明轴向扣压接头使用方法与自锁原理：

将挠性管体与管路连接，需要对接的管路接口同样为法兰接口，本方案中的所述活套法兰轴向扣压接头与法兰接口对接通过螺栓连接预紧。此时通过不断预紧螺栓，两法兰不断被预紧挤压，与此同时，压合所述外压环、内压环。外翻的骨架层因而被自然压紧，由于设置有相互咬合的波浪形或倒锯齿状的齿牙7，从而形成了自锁功能，随着管体内介质压强的增大，作用在接头骨架层3上压合力也相应增大，进一步加强自锁功能，在高压条件下自锁功能优势更加明显。另外所述管体内胶层的凸台由于卧入了所述凹陷内，所述外压环也会促进压合所述管体内胶层端面与需要对接接口端面。也就是说，螺栓的预紧不但对接固定了接口，还压紧了所述骨架层。本发明大幅简化了连接结构，接头结构的长度缩减了，方便了安装、降低了自重、可以在狭小空间内完成安装。

采用本发明轴向扣压形式在较小的空间内实现接头与管体压合成型，将法兰接头的密封部位设计为内、外压环复合结构，内、外压环设计加工相吻合的波浪状或有角度的倒锯齿状结构，内、外压环经处理后将管体骨架材料端部扣合压紧，通过硫化成型，使接头与骨架材料结合为一体；当法兰安装过程中用螺栓逐渐紧固时，内、外压环压合锁紧，骨架材料与接头连接更加紧密，强化了接头强度、可靠性和抗拔脱性，且由于采用该接头的挠性管体密封面为金属刚性密封，选用适当的密封件可以有效保证连接密封性，同时不易老化。

加工时，接头内、外压环的压合面经过喷砂、清理、喷涂胶黏剂、烘干，达到与橡胶及骨架材料良好粘合的要求；按传统方法完成挠性管体管体包覆、缠绕后，安装接头并将管体骨架材料翻起用内、外压环夹合，采用工装压紧，骨架材料与接头硫化成型，使接头与骨架层3、内胶层2、外胶层4结合为一体构成整体。采用内、外压环接触面喷涂胶粘剂来保证骨架材料与扣压接头的粘合强度。

本发明轴向扣压接头结构以小的法兰接头尺寸获得良好的接头强度、抗拔脱性、密封性和可靠性，且接头结构简单、重量轻、安装方便；可通过材料设计、接口尺寸设计和管体结构设计使挠性管体适用于不同的接口形式、公称通径、工作介质等多种工况。采用本发明轴向扣压接头和弧形管体结构及其一体化成型技术的挠性接管，通径DN40～DN100范围内爆破压力可达到25～20MPa，通径DN125～DN250爆破压力可达到15～12MPa；1.33倍工作压力下脉冲疲劳达到40万次无损坏；轴向位移补偿可达24mm，径向位移补偿可达20mm，振动插入损失值大于8dB，有效保证设备和管路系统的安全可靠性。

应用例1

按照上述设计方案设计并试制挠性接管，分析其结构可行性和性能可靠性。

挠性接管通径DN150，工作压力1.6MPa，工作介质海水，接口尺寸按照CB/T 4196标准设计，总成长度225mm，安全系数满足3倍以上。

按照上述要求，挠性接管设计过程如下：

1)为保证挠性接管管体材料具备相应的环境适应性，内、外胶层选用对海水和大气环境具有良好适应性的氯丁橡胶作为主体材料设计配方，主要物理性能如下：

a)硬度：65±5°；

b)拉伸强度≥13MPa；

c)扯断伸长率≥400％；

d)300％定伸强度≥6MPa；

e)阻燃性能：有焰燃烧和无焰燃烧时间之和小于30s；

2)选用1670dtex/1×3规格芳纶帘线作为骨架材料，其物理性能如下：

a)扯断强力≥750N/根；

b)与胶料粘合强度(H抽出)≥130N/cm；

3)挠性接管接头依据CB/T 4196接口尺寸设计，采用活法兰抗拔脱接头结构形式(见图4)；

4)耐压强度分析计算：

根据设计要求，确定DN150挠性接管管体骨架材料增强层为2层交叉缠绕结构，管体骨架材料选取高强度擦胶芳纶帘布，芳纶帘线密度9.45根/cm，芳纶帘线单根拉断强力实测：

压胶前：R1＝750N，压胶后：R＝680N。

a)内胶层

内胶层厚度预定为3.5mm，胶片规格：300mm×475mm×3.5mm；

b)骨架层

骨架层骨架材料选取高强度芳纶帘布，预定平衡角为53°，芳纶帘布裁剪斜角为：90°-53°＝37°,预定采用二层擦胶芳纶帘布。

c)外胶层

外胶层厚度预定为4.0mm，胶片规格：250mm×510mm×4mm；

d)耐压强度验证

在图6所示弧形管体上取微元进行受力分析，取单侧进行分析，δm与δn分别为曲面微元的轴向应力与周向应力，得微元的轴向向力为：

微元的周向向力为：

由上两式可以看出，当x＝0时，微元的轴向应力与周向应力最大，即知挠性接管正中央的圆周上微元所受的轴向应力与周向应力最大，分析挠性接管的耐压性能即可简化为分析管体中央圆周的耐压性能。

在对球形挠性软管受压时的骨架层受力进行分析之前，先作如下假设：

i)球形挠性软管内压力载荷为骨架层承受；

ii)对管体来说，骨架层相对比较薄，看作薄壳；

iii)骨架层上的帘线缠绕按照平衡角缠绕。

取骨架单元如图9所示。

分别将轴向力f₁和环向力f₂计算到单根帘线的受力，得

其中，m₀为θ＝0处(球形管中间)的缠绕密度，α₀为θ＝0处的缠绕角，α_θ为θ处的缠绕角。

由计算可知，帘线最大受力处在θ＝0处，即在管体正中间。当帘线按照平衡角缠绕时，由环向力和轴向力计算所得的帘线受力完全一致，这也充分说明了管体的受力完全作用在帘线上。

管体中央圆周微元可以看作是长度为dx直管段，其耐压性能可利用直管耐压强度计算公式进行计算：

公式中：P_B—胶管耐压强度，Kgf/cm²；

K_B—帘布强度，Kgf/cm；

∑n—帘子布的帘线总根数；

D_计—计算直径，cm；

C—综合修正系数,取值范围参见下表1。

表1

缠绕层数，i	C值
		2	0.85～0.95
4	0.75～0.85
		6	0.65～0.75

经计算，该挠性接管耐压强度为10.3MPa。

可见，该挠性接管耐压强度大于4.8MPa，达到3倍以上安全系数，完全满足耐压强度及可靠性设计要求。

按照上述设计方案制造挠性接管，对试制样件进行可靠性试验，结果如下：

1)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，保压15min，管体无异常，接头状态良好；

2)对挠性接管充压至2倍额定工作压力，保压30min，管体无异常，接头状态良好；

3)脉冲试验前，对挠性接管持续充压，至9.6MPa管体爆破，爆破后接头保持完好；脉冲试验后，对挠性接管进行爆破试验，至8.8MPa管体爆破，爆破后接头保持完好；

4)对挠性接管以周期50～60次/min，0～2倍额定工作压力进行压力脉冲试验，40万次脉冲试验后挠性接管无异常；

5)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，一端固定，另一端以24mm的轴向位移、20mm的径向位移进行拉伸、压缩，各进行20次极限位移补偿试验后挠性接管无异常；

6)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，一端固定，另一端以12mm的轴向位移、10mm的径向位移进行拉伸、压缩，各进行1500次拉压、剪切疲劳试验后挠性接管无异常。

对接头部分受力情况进行分析：

1)工作状态下，挠性接管充压1.6MPa，在达到最高安全系数即3倍额定工作压力时，作用在管体单位长度上的力为：F＝3PS＝3×1.6MPa×(π×250mm×1mm)＝3768N，即单位长度管体受力约3.77kN/mm；

2)芳纶帘线规格为1670dtex/1×3，其断裂伸长率约4％，扯断强力约750N，拉伸模量780cN/dtex，弹性模量120GPa，帘线缠绕角度为54.4°，帘布层数为2层，挠性接管达到最高安全系数，即3倍额定工作压力作用下，管体轴向最大变形约2.6mm，径向变形约2.3mm，在此作用力下，对单层骨架材料所受拉力约为0.85kN/mm；

3)参照接头设计结构尺寸(图6)，内、外压环贴合面为带有一定角度的凸缘/凹槽结构，对骨架材料压合锁紧后，骨架材料所受拉力在凸缘/凹槽压合位置可分解为垂直于斜面的法向力和沿斜面方向的切向力，这里的切向力即可视为接头位置骨架材料受到的拔脱力，对该位置骨架材料进行受力分析，计算得骨架材料所受拔脱力约为1.3kN/mm；

4)通过试验测试，经过处理的橡胶与金属的粘合强度为22kN/m，骨架材料与橡胶的粘合强度为13kN/m(H抽出)；

5)12-M16螺栓紧固后，螺栓预紧力近似为内、外压环对芳纶帘线的自锁作用力：P₀＝σ₀·A_s＝0.5σ_s·A_s≈76kN；P0为预紧力，σs为螺纹性能等级，As为螺纹部分危险剖面的计算直径。

6)骨架材料被内、外压环夹合部分长度约45mm，故单层骨架材料所受拔脱力约29kN，夹合部分橡胶与金属粘合强度约为1.32kN，骨架材料与橡胶粘合强度约为0.78kN，内、外压环给帘线的自锁作用力约为76kN。

由此可见，骨架材料所受粘合力与自锁作用力的共同作用力，大于挠性接管在3倍工作压力下所受拔脱力，从理论角度分析，挠性接管在额定工作状态下不可拔脱。

对挠性接管试制样件进行性能测试：

1)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，保压15min，管体无异常，长度伸长3mm，接头状态良好；

2)对挠性接管充压至2倍额定工作压力，保压30min，长度伸长3.5mm，管体无异常，接头状态良好；

3)对挠性接管持续充压，至9.6MPa管体弧形段中部爆破，接头保持完好；

4)对挠性接管以周期50～60次/min，0～2倍额定工作压力进行压力脉冲试验，40万次脉冲试验后管体无异常，接头状态良好；

5)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，一端固定，另一端以24mm的轴向位移进行拉伸和压缩、20mm的径向位移进行剪切，各进行20次极限位移补偿试验后管体无异常，接头状态良好；

6)对挠性接管内部注水充压至额定工作压力，一端固定，另一端以12mm的轴向位移、10mm的轴向位移进行拉伸、压缩，各进行1500次拉压、剪切疲劳试验后管体无异常，接头状态良好。

7)工作压力下，进行插入损失试验(10～2KHz)，轴向插入损失值9dB，径向插入损失值8dB。

通过试验测试对具有大位移补偿能力的活法兰抗拔脱接头弧形挠性接进行可靠性验证，该结构挠性接管在受到极限拉伸、压缩、剪切，以及各方向冲击位移、内部压力脉冲等各种工况下，均能保证良好的物理机械性能，并且表现出良好的抗拔脱性和密封性，大的位移补偿能力，良好的减振性能，完全满足常规挠性接管性能要求。

综上所述，本发明所述具有大位移补偿能力的活法兰抗拔脱接头弧形挠性接具有结构合理、制造工艺简单、抗拔脱能力强等优点，具有极高的安全可靠性，且其重量轻，尺寸小，可满足小空间的挠性接管安装需求，具有良好的减振、降噪、抗冲击、位移补偿等性能，适用于各领域挠性接管的设计和加工制造。

Claims (7)

1.一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，包括挠性管体、扣压接头，其特征在于：所述挠性管体(10)的两端为直管段并分别对称设置有所述的扣压接头，所述扣压接头之间的挠性管体为沿径向向外拱的单一圆弧形管体，所述挠性管体(10)由内向外依次包括内胶层(2)、骨架层(3)、外胶层(4)，所述的扣压接头为轴向扣压接头，所述轴向扣压接头是由设置在内胶层(2)外的外压环(5)及设置在骨架层(3)外的内压环(6)夹持翻转反包后的骨架层(3)后与所述挠性管体(10)经硫化一体成型，所述内压环(6)外设置活套法兰(1)。

2.根据权利要求1所述的一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，其特征在于：所述的圆弧形半径r等于该圆弧形挠性管体段落的长度L；所述骨架缠绕层需取偶数层，相邻两层交叉缠绕。

3.根据权利要求1所述的一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，其特征在于：所述轴向扣压接头中，所述活套法兰(1)为法兰盘结构，所述扣压接头包括外压环(5)、内压环(6)，所述外压环(5)、内压环(6)为环形套结构，所述外压环(5)外套在所述挠性管体(10)端部的内胶层(2)外，所述的内胶层(2)端部外设置有一圈环形的凸台(21)，所述外压环(5)内圈端部设置有与其对应的环形凹陷(51)，所述凸台(21)嵌入所述凹陷(51)内形成接头与管内输送介质的密封结构；所述外压环(5)沿其外圈向后翻折使其截面呈L型，翻出部分是筒形压环(52)；

所述内压环(6)前端沿其端面向外翻折使其截面呈倒立的L型，所述内压环(6)套在所述骨架层(3)外的部分是筒形外套(62)，所述筒形外套(62)后端与所述外胶层(4)的接触面成斜面相抵，所述外胶层(4)的接触面位于该斜面之上与所述筒形外套(62)的接触面构成与管体外部的密封结构；所述内压环(6)外翻的部分是环形盘(61)，所述骨架层(3)前端向外向后翻折反包住所述环形盘(61)前端面与侧壁，所述环形盘(61)嵌入所述外压环(5)的L形被包裹，所述环形盘(61)的前端面与所述外压环(5)的后端面相抵并加持所述骨架层(3)，所述筒形压环(52)外套所述环形盘(61)并夹持所述骨架层(3)前端，所述筒形压环(52)的高度小于所述环形盘(61)的厚度，所述活套法兰(1)套接在所述筒形外套(62)上并与所述环形盘(61)的后端面相抵，所述挠性管体(10)的内胶层(2)、骨架层(3)、外胶层(4)、外压环(5)、内压环(6)经硫化一体成型。

4.根据权利要求3所述的一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，其特征在于：所述外压环(5)、内压环(6)、活套法兰(1)是金属材料制成。

5.根据权利要求3所述的一种活法兰自锁接头大口径低刚度平衡挠性管体，其特征在于：所述外压环(5)、内压环(6)的接触面设置有相互咬合的波浪形或倒锯齿状的齿牙(7)咬合压紧所述骨架层(3)。

6.根据权利要求3所述的一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，其特征在于：所述挠性管体内胶层(2)、外胶层(4)为橡胶材质，所述骨架层(3)采用浸胶芳纶帘线制作，所述挠性管体(10)经硫化一体成型；所述外压环(5)、内压环(6)接触面涂胶。

7.根据权利要求3所述的一种大位移补偿活法兰抗拔脱接头弧形挠性接管，其特征在于：所述内压环(6)的外翻转折角为圆弧过渡，所述的外压环(5)对应该圆弧设置弧线过渡。