1、论文高压胶管技术新进展最全word资料高压胶管的技术新进展李举平姜景波寇攀虎刘勇邵德地林芳(陕西延长石油西北橡胶有限责任公司陕西咸阳712023摘要:介绍高压胶管使用的最新材料(主体材料、配合体系、钢丝骨架层;先进生产设备(编织机、缠绕机;工艺方法上新的改进;结构设计上的创新及目前使用的最新标准。关键词:钢丝增强橡胶软管材料设备工艺结构高压胶管是橡胶软管中的高端产品,由于材料、设备的要求比较高,结构、工艺复杂,其产品附加价值远远高于中、低压胶管,成为胶管生产企业产品竞争的焦点。该类产品应用范围广泛,涉及工程机械、采矿、冶金、石油、化工、航空、航海等领域。目前国内外高压胶管的发展几乎都朝着高强度
2、(高压力、大口径、大长度的方向发展,而且用户在耐高温、耐低温、耐曲挠疲劳、耐特殊介质和增大流量等方面提出了更高的要求,促进和推动了高压胶管的产品的技术进步。本文对高压胶管使用的材料、设备、工艺、结构、标准等方面技术进展做一介绍。一、使用的最新材料高压胶管使用的材料分为非金属材料和金属材料,在高压胶管生产过程中经常使用的非金属材料有丁腈橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶等,随着技术的进步和橡胶行业的发展,三元乙丙橡胶、氯磺化聚乙烯、氯醇橡胶、氢化丁腈橡胶等逐步应用于高压胶管产品上,用于制造高性能、高附加价值的高压胶管产品。非金属方面常用的有尼龙、聚酯纤维,随着纺织行业的发展,芳纶纤维等高性能材料逐渐应用于
3、高压胶管中,作为高压胶管的骨架材料。金属材料有截面为圆形的镀铜钢丝、镀锌钢丝作骨架层材料,随着计算机仿真、试验等技术的进步,扁钢丝(截面为椭圆形的镀铜钢丝将会应用于高压胶管中。现将高压胶管使用的新材料做一介绍。1、三元乙丙橡胶1:具有优异的耐热性、耐蒸汽性、耐天候老化、化学腐蚀及优良的电绝缘性能,特别是对二醇醚制动液及植物油的抗耐性较好。适用制造耐热、耐蒸汽及耐强腐蚀介质的高压胶管。2、氯磺化聚乙烯橡胶:具有优异的抗臭氧及天后老化性能,耐化学腐蚀性好,优良的耐燃、耐油类及抗撕裂性能,适于制造耐强腐蚀介质、耐燃、耐臭氧老化要求的高压胶管,特别适用于制造在恶劣大气环境下使用的胶管外层胶料。3、氯醇
4、橡胶:具有优异的耐天候老化性,耐油、溶剂性能好,良好的耐燃和低透气性能,适于制造耐油类、耐臭氧、耐天候老化和低透气性高压胶管。4、氢化丁腈橡胶:具有优异的耐油性,耐腐蚀,耐低温、高温,耐氧化、耐动态疲劳、耐臭氧的新材料,适于制造耐油等特殊要求的高压胶管。5、丁腈橡胶/PVC:耐油、耐磨、耐臭氧性能优异,挤出性能好,易加工,适于制造耐磨、耐臭氧环境下使用的高压胶管外胶。6、芳纶纤维:芳纶纤维具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的 7倍,模量为钢丝或玻璃纤维的23倍,韧性是钢丝的2倍,而重量仅为钢丝的1/5左右,在450的温度下,不分解,不融化。它具有良好的绝缘性和
5、抗老化性能,具有很长的生命周期2。7、扁钢丝:具有强度高、模量高、耐高温曲挠性、承压性能好。尤其是扁钢丝,抗扭转、弯曲变形性能好。使用扁钢丝制造的高压钢丝编织/缠绕胶管比使用高强度(超高强度钢丝制造的胶管的脉冲性能要好得多。二、使用的新型设备编织机和缠绕机作为高压胶管生产的关键设备,其性能对橡胶软管的生产有直接的影响。本文将介绍目前高压胶管最新、最先进的Mayer 公司的MR-15型及Seijin公司的仿RB-2型高编机3,意大利VP公司新型钢丝缠绕机、韩国Seijin公司钢丝缠绕机。意大利VP公司新型钢丝缠绕机有24锭、36锭和48锭三种规格的四盘钢丝缠绕机,缠绕盘最大转速分别为100rpm
6、 、90/80rpm和70 rpm。这种钢丝缠绕机的主要特点在于其锭子结构和缠绕口型。钢丝预成型采用机上塔轮式预成型,机械传动调控实现不同的缠绕行程,钢丝张力为气动调控,合股锭子,每个锭子同时引出若干根钢丝,同时缠绕在胶管上,类似于钢丝编织机锭子上合股的钢丝,而不是象普通钢丝缠绕机那样每个锭子只引出一根钢丝。钢丝是以若干根钢丝同时引出的方式进行缠绕的,因此缠绕口型需特殊设计,其设备优势在于气动张力调控,所有钢丝能以均匀一致的张力缠绕在胶管上,并且不会引起钢丝背股。 图1 VP公司钢丝缠绕机Seijin钢丝缠绕机采用电气自动控制取代部分机械传动控制,实现不同的缠绕行程,电器自动化控制水平较高。这
7、种钢丝缠绕机的主要特点在于钢丝预成型装置,钢丝单根单轴,多轴同锭,钢丝预成型采用内、外预成型口型与分线圈与张力圈之间相互配合,缠绕时钢丝发生旋转而形成一定的圈径和螺距,以满足生产工艺要求。这种预成型方法使钢丝预成型后即产生圈径又产生螺距,克服了其它预成型方法只有圈径没有螺距的弊端,此种预成型方法减小了产品在承压时钢丝变形量,可提高产品的脉冲性能。 图2 seijin公司钢丝缠绕机Mayer MR-15型钢丝编织机(以24锭为例是德国Mayer公司20世纪90年代开发的产品,其结构原理是在MR-11的基础上,增加了PLC控制系统,转子由12个变为8个,每个转子由6个互成60角的凹形半圆槽,槽位即
8、轴承位。8个转子上共有24个梭子,一半梭子沿转子圆周分布,并绕中心顺时针方向运动,另一半逆时针方向运动。在同一转子上的角度差为转子的1/3圆周,即120,顺逆两方向运动的梭子在同一转子上的角度差为60,这样通过每个梭子上的张力补偿器,及时补偿和调整钢丝张力,使各股钢丝张力均匀、一致地放出,形成3/3网纹状结构编织层。其动力部分由三台独立的同步电机分别带动牵引装置和锭盘做作正弦曲线运动,通过在PLC数显屏上输入编织行程、速度即可实现软管的编织工作。而MR-11是通过手动更换挂轮,来实现编织行程的调节,完成软管的编织工作。 图3 MR-15钢丝编织机Seijin仿RB-2型钢丝编织机结构原理是在R
9、B-2的基础上,增加了PLC控制系统,动力部分由三台独立的同步电机带动牵引装置,同时带动锭盘做作旋转运动,锭子以恒定速度进行运动,运动轨迹为环形,内锭子的钢丝线速度方向始终保持恒定,外锭子钢丝沿编织中心方向通过挑线摆动杆定距离做上下往复运动,内外锭钢丝形成交点,螺杆机构推动往复套筒使形成的交点成为编织点。锭子运动为滚动摩擦,磨损小。通过在PLC数显屏上输入编织行程、速度,可使放线过程中摆动杆的摆动同步,使钢丝松紧一致,即可实现软管的编织工作。 图4 仿RB-2钢丝编织机三、工艺方法上的新改进工艺方法方面主要表现在三方面,一是软芯法内胶压出及包塑硫化;二是铁芯法内、外胶管坯成型,三是钢丝预成型。
10、软芯法,内胶压出采用塑料或耐高温橡胶芯子,可有效解决铁芯压扁内胶层,造成内胶薄厚不匀的问题,另外产品外观光滑光亮,规格尺寸准确,性能稳定,长度也比硬芯法有所增大,它适用于生产直径为38mm以下的大长度胶管4;包塑硫化5采用挤出机在外胶层上包覆一层聚丙烯材料,可有效解决铅对人体的危害和环境污染。硬芯法内胶管坯挤出采用带芯挤出工艺方法,直接采用挤出机将内胶管坯包覆在铁芯上,代替传统的套管工艺方法,简化了工艺流程。外胶管坯成型采用缠绕外胶片与钢丝缠绕(编织成型联动的工艺方法,类似于缠水包布那样采用搭接宽度为胶片宽度的1/2,此种工艺方法可替代挤出机包外胶或手工包外胶片的方法,减少能耗,降低成本。钢丝
11、缠绕成型采用机上预成型法代替机下预成型法。机上预成型总体可分为塔轮预成型法、张力圈预成型法。塔轮预成型法通过更换不同直径的塔轮使钢丝预成型后获得满足生产工艺要求的圈径。张力圈预成型法通过张力圈调整钢丝张力与前后预成型口型间的间距使钢丝预成型后获得满足生产工艺要求的圈径和螺距。机上预成型方法可使钢丝预成型后获得均匀一致的圈径和螺距,从而提高增强层的耐压强度和脉冲性能。四、结构设计上的创新高压胶管的结构由内衬层、内胶层、骨架层、中胶层、外胶层四部分组成。内衬层直接与输送介质接触,通常选用耐介质性好、拉伸强度高、定伸应力高、压缩永久变形小、易加工的合成橡胶,为了满足耐强极性介质的使用要求,内衬层采用
12、聚四氟乙烯层与橡胶层复合而成,内衬层表面附加一层胶片或粘合剂以提高与骨架材料的粘合。高压胶管的承压能力取决于增强层,由纤维/钢丝编织、缠绕或编织缠绕复合结构的方法制作而成,增强层材料向着直径小、高强度、轻质方向发展。骨架层中多采用钢丝编织体为增强层,超高压胶管多采用钢丝缠绕增强结构。中胶层采用与钢丝粘着性能好的胶料压成0.20.4mm胶片制成,外胶层用耐磨性好、耐老化性能好的胶料制作,以保证增强层不受机械损伤、化学腐蚀、潮湿生锈等。 图5 缠绕结构的高压胶管图6 编织结构的高压胶管五、现行最新有效标准61、产品标准:高压胶管产品标准见表1。表1 高压胶管产品标准序号产品品种标准编号标注名称1
13、橡胶软管及软管组合件GB/T3683-2021ISO1436:2021橡胶软管及组合件油基或水基流体适用的钢丝钢丝编织钢丝增强液压型规范2 橡胶软管及软管组合件GB/T3683-2021ISO1436:2021橡胶软管及软管组合件钢丝编织增强液压型规范第1部分:油基流体适用3 钢丝缠绕增强外覆橡胶的液压橡胶软管和软管组合件GB/T10544-2003钢丝缠绕增强外覆橡胶的液压橡胶软管和软管组合件4 橡胶软管及软管组合件橡胶包覆钢丝缠绕增强液压型油基或水基流体适用规范ISO3862:2021Rubber hoses and hose assemblies_ Rubbercovered spira
14、l_wrie_reinfoced hydraulic typesfor oil_based or water_based fluids Specification5 橡胶软管及软管组合件(钢丝编织增强液压型EN_853:1996(BS_EN_853:1997Rubber hoses and hose assemblies_wrie braid reinfoced hydraulic type_Specification6 液压软管SAE_J517-2021 Hydraulic Hose7 橡胶软管及软管组合件(外覆橡胶钢丝缠绕增强液压型EN856_1997Rubber hoses and ho
15、se assemblies_rubber_coverced spiral wire reinfoced hydraulictype_ Specification2、性能测试标准:原材料及组件性能测试标准见表2。表2 原材料及组件性能测试标准序号试验方法标准名称检测项目1 GB/T528-2021 硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能测试1扯断强度2扯断伸长率3扯断永久变形4压缩永久变形2 GB/T531.1-2021 硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部:邵氏硬度计法硬度3 GB/T3512-2001 硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验老化性能/耐热性能4 GB/T1690-2
16、006 硫化橡胶或热塑性橡胶耐液体试验方法耐流体性能5 GB/T24134-2021 橡胶和塑料胶管静态条件下耐臭氧性能评价耐臭氧性能6 GB/T14905-2021 橡胶和塑料胶管各层间站和强度测定层间粘合性能7 GB/T9573-2003 橡胶、塑料胶管及组合件尺寸测量方法1直径和同心度2长度8 GB/T9574-2003 橡胶和塑料胶管和胶管组合件试验压力、爆破压力与设计工作压力的比率试验压力、爆破压力、工作压力9 GB/T9575-2003 工业通用橡胶和塑料胶管内径尺寸及公差和长度公差内径尺寸10 GB/T5563-2006 橡胶和塑料胶管及胶管组合件静液压试验方法1最大工作压力下的
17、长度变化2试验压力3最小爆破压力4胶管组合件11 12 13 14 15 16 17 18 19 GB/T5564-2006 GB/T5565-2006 GB/T5567-2006 GB/T5568-2006 GB/T12721-2007 GB/T3683.1-2006 JB/T8727-2004 GB/T18950-2003 GB/T11182-2006 橡胶和塑料胶管 低温曲挠试验 橡胶或塑料增强胶管和非增强胶管 弯曲 试验 橡胶和塑料胶管及胶管组合件 耐吸扁性 能测定 橡胶和塑料胶管及胶管组合件 无曲挠液 压脉冲试验 橡胶胶管 外层耐磨耗性能测定 胶管及胶管组合件 钢丝编织增强液压型 规
18、范 液压胶管 总成 橡胶和塑料软管 静态下耐紫外线性能测 定 橡胶软管增强用钢丝 的泄露 低温曲挠性能 弯曲性能 耐吸扁性能 无曲挠液压脉冲性能 耐磨性能 最小弯曲半径 最小通过量 静态下耐紫外线性能测定 钢丝性能 六、结论 1、高压胶管用内胶材料向氢化丁腈橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶及内胶内衬尼龙、氟材 料的方向发展；外胶向氯磺化聚乙烯橡胶、氯丁橡胶及丁腈橡胶/PVC 共混胶方向发展。 2、高压胶管使用设备逐步向高精度、高产能、自动化方向发展。国内大型胶管生产厂 家在钢丝编织管设备方面开始逐步使用目前最先进的 MR-15 型、Seijin 仿 RB-2 型高速编 织机； 在缠绕管设备方面开始逐步
19、扩大意大利 VP 公司新型钢丝缠绕机、 Seijin 钢丝缠绕机 的使用。 3、高压胶管工艺方法上采用了软心法、硬芯法代替了传统的套管工艺；包塑工艺有效 解决了铅污染， 起到了绿色环保的作用； 钢丝机上预成型法可有效提高胶管的耐压强度和脉 冲性能。 4、高压胶管结构上在内胶层上复合氟材料、尼龙等内衬层，提高内胶特殊介质、溶剂 的性能；向编缠化复合结构发展。 5、高压胶管产品使用的标准是现行有效的、最新的 标准、国际标准、欧标、美标 等标准；原材料及测试用标准采用最新有限标准。 参考文献： 1李延年，吴宇方，翟祥国，橡胶工业手册(第五分册.北京：化学工业出版社,1993： 311-312. 2郑
20、海波，陈晋阳，新型高性能骨架材料在汽车胶管中的应用J，橡胶新材料工业，3009，34 期：25-28. 3姜景波，李举平，刘勇等，几种进口钢丝编织机性能特点对比J.特种橡胶制品，2021，33（6） ：60-63 4 彭秋柏， 黄庙由，国内外钢丝编织胶管的发展概况J.世界橡胶工业，2006，33（7） ：44-49. 5 张群 周维海，橡胶软管的包塑硫化工艺J.橡胶工业，1999,46（2）:99-100. 6 陶大君，我国液压胶管的生产、工艺现状及发展趋势J.中国橡胶年会资料，2021：313-323. 简介：李举平（1981） ，男，陕西安康人，主要从事高压胶管产品研发工作。 CHEMIC
21、AL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2021年第 30卷第 1期 34化 工 进 展 纳米技术在强化传热中应用的研究进展张正国,燕志鹏,方晓明,方玉堂,高学农(华南理工大学传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东 广州 510640摘 要 :采用纳米技术,通过改变传热流体的物性和流动特征以及传热表面的特性,能有效地强化传热。本文 综述了纳米流体、纳米胶囊粒子潜热型热流体以及纳米涂层表面在强化传热中应用的研究进展,分析了各种纳 米技术的强化传热机理,指出了现有研究工作存在的问题和今后研究的方向。关键词 :纳米流体;纳米胶囊相变粒子;纳米涂层表面;强化传热中图
22、分类号 :TQ 02 文献标志码 :A 文章编号 :1000 6613(2021 01 0034 06Research development of applications of nanotechnologyin heat transfer enhancementZHANG Zhengguo, YAN Zhipeng, F ANG Xiaoming , F ANG Yutang , GAO Xuenong(Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conversation, Ministry of Education,South Chin
23、a University of Technology , Guangzhou 510640, Guangdong , China Abstract :Heat transfer rate can be effectively enhanced by modifying the flow and thermal characteristics of the heat transfer fluid and the surface properties by applying nanotechnology. The progress of applications of nanofluids, la
24、tent-heat thermal fluids by using nano-encapsulation phase change materials and nano-coated surface in heat transfer enhancement are summarized. The mechansims of heat transfer enhancement for the different nanotechnologies are analyzed, the existing problems in these researches and the prospect of
25、application are discussed.Key words:nanofluid ; nano-encapsulation phase change material; nanocoated surface; heat transfer enhancement随着化石能源的逐渐枯竭,世界各国都面临着 能源短缺的严峻问题,如何提高能源的利用效率并 开发新能源已受到人们的普遍关注。换热器既广泛 应用于化工、石化、动力等传统领域,又应用于太 阳能、地热能、核能等新能源利用领域,其传热效 率的高低直接影响到能源的利用效率和水平。采用 强化传热技术则能有效地提高换热器的传热性能, 减少设备体积
26、和传热温差,从而实现节能、节材的 目标。自 20世纪 70年代世界石油危机以来,强化传 热技术得到了快速发展,先后开发出了许多强化单 相、相变传热的元件与高效换热器,如各种强化传 热管(包括扩展表面、粗糙表面及管内插入物 1 和新型板式及板翅式换热器、 螺旋隔板换热器 2等。 目前,这些强化传热技术在工业及民用等领域已得 到广泛应用 3-4,并取得了显著的节能、节材经济 效益。随着微电子、燃料电池、激光加工等高新技术 领域的发展,对冷却传热技术提出了严峻的挑战。 因为在这些高新技术领域中,涉及的大多是微尺度 的传热问题,受空间尺度的限制,在传热表面加工收稿日期 :2021-10-20; 修改稿
27、日期 :2021-10-26。 项目 :教育部新世纪优秀人才资助计划(NCET-07-0312及教育 部高校博士点 项目(20210172110015 。第 1期 张正国等:纳米技术在强化传热中应用的研究进展 35翅片或粗糙元十分困难,必须采用新的强化传热手 段。纳米材料因具有小的尺寸、大的表面积与体积 比率以及独特的光、磁、电、化学和机械特性,为 传热强化提供了新的有效途径。本文作者综述了近年来纳米技术在传热强化 领域的研究进展,主要包括纳米流体的传热强化、 纳米胶囊潜热型功能热流体的传热强化及纳米涂层 表面的传热强化。1 纳米流体的传热强化1.1 单相对流传热强化纳米流体是由美国 Argo
28、nne 实验室最先提 出的强化传热新技术 5,它是指将粒径小于 100 nm (至少一维的金属或非金属纳米粒子分散在普通 流体(水、油、乙二醇等中而构成的悬浮液,并 要求悬浮液必须均匀、稳定而且能持久,纳米粒 子不与传热流体发生化学反应,且纳米粒子不易 团聚。 目前广泛研究的纳米粒子主要包括 Cu 、 Al 、 CuO 、 Al 2O 3、 TiO 2、 SiO 2及碳纳米管等。大量研究 表明 6-8,纳米流体能的有效热导率比其基础流体 有所提高。根据对流传热的基本理论,流体的对流 传热系数与其自身的物性有关,纳米流体不仅改变 了流体的热导率,而且还改变了流体的密度、比热 容、黏度,对纳米流体
29、传热性能进行研究是其实际 应用的前提和基础。从目前文献来看,相关研究工 作主要包括:纳米流体的对流传热强化、纳米粒子 的粒径大小对传热性能的影响以及纳米粒子的体积 分数对传热性能的影响。Duangthongsuk 等 9实验研究了 TiO 2/H2O 纳米 流体在套管换热器内的强制对流传热特性, TiO 2的 体积分数为 0.2%时, 纳米流体的对流传热系数提高 了 6%11%, 而压降稍有增加, 结果表明, Gnielinski 方 程 不 能 应 用 于 纳 米 流 体 的 传 热 系 数 计 算 。 Asirvatham 等 10实验研究 CuO/H2O 纳米流体在管 内的稳态对流传热,
30、 CuO 的体积分数为 0.003%时, 对流传热系数提高了 8%,同时还建立了沿流动方 向的局部努塞尔特关系式,实验结果与关系式的计 算值吻合良好。 Fotukian 等 11则实验研究了 CuO/ H 2O 纳米流体在湍流条件下的对流传热与压降性 能, CuO 的体积分数为 0.24%时,纳米流体的平均 对流传热系数提高了 25%, 对应的压降增加了 20%。 Nguyen 等 12实验研究了 Al 2O 3/H2O 纳米流体的对 流传热特性。结果表明,当 Al 2O 3纳米粒子的体积 分数为 6.8%时,其对流传热系数比水提高了 40%。 纳米流体的对流传热性能与所选用的纳米粒子种类 有
31、关,不同类型的纳米粒子呈现不同的强化传热性 能,因为不同类型纳米粒子的流体具有不同的电极 电位,从而影响纳米流体的微对流特性。Anoop 等 13对 Al/H2O 纳米流体在恒热流密度 下的层流传热特性进行了实验研究,获得了粒子直 径分别为 45 nm和 150 nm时的对流传热系数。结 果表明,当粒径为 45nm 时,纳米流体的对流传热 系数明显高于粒径为 150 nm的纳米流体,同时还 建立了纳米流体在发展区域的对流传热系数关系 式。 Zhang 等 14则以 CuO /H2O 纳米流体为对象, 实验研究了具有不同 CuO 粒径大小 (23 nm、 51 nm和 76 nm的纳米流体在湍流
32、条件下的对流传热 性能。结果表明,所有的纳米流体均能强化流体 的对流传热, CuO 粒径为 76 nm时,纳米流体的 对流传热系数最高。纳米粒子的粒径变化将改变 纳米流体的物性及其布朗运动特征,从而影响对 流传热系数。Murshed 等 15实验研究了 TiO 2/H2O 纳米流体 的强制对流传热性能, TiO 2的体积分数为 0.2% 0.8%。实验结果表明,随着纳米粒子体积分数的增 加, 对流传热系数也增加。 Heris 等 16的研究表明, Al 2O 3/H2O 纳米流体的对流传热系数随 Al 2O 3纳米 粒子体积分数的增加而增大, 当其体积分数为 2.5%时,纳米流体的对流传热系数比水提高了 22% 41%,且压降变化不大。随着纳米粒子体积分数的 增大,纳米流体的热
