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金属软管技术知识

时间: 2011-07-22 20:27 来源: 作者: 点击:
随着现代工业的飞速发展和各门学科的互相渗透,金属软管在机械制造、石油化工、仪器仪表和各类工程上得到广泛应用。近三十年来,它已扩展应用于航天、航空、核能、造船、电子及新型建筑业等工业部门,成为现代工程技术中不可缺少的配件,发挥着显著的作用。

在中国,五十年代初才出现最原始的金属软管,它是以带材缠绕的波纹管为本体的。但是,它发展得很快,经过五十年左右的时间,就走过了其他国家近一百年时间走过的路程。目前,我们已经能够生产一些达到国际先进水平的金属软管。但由于技术交流和标准化等方面的问题,不少技术领域中的设计人员对现代金属软管的结构特点、性能指标等还不十分清楚,致使不少应当使用新型金属软管的场合至今仍然使用着那些结构形式较为陈旧的金属软管、管和塑料管。普及金属软管的技术知识,就是为了使更多的人熟悉和掌握现代金属软管的知识,以便更广泛、更合理地使用它。同时,本资料也为有关人员提供必要的设计参数和制造工艺方面的经验,以利于它的进一步发展。

在世界范围内,金属软管仍属于一门年轻的工业,对于它的理论研究,至今尚未系统化。我们对于这方面的工作,也是刚刚开始,由于水平限制,难免有不妥之处,希望各位朋友批评指正。

金属软管发展简史

金属软管在现代工业中占据着极其重要的位置。那么,它是怎样发展起来的呢?

最初,人们用兽皮缝合成管状的结构,以适应生产斗争之需要。经过了相当长的时期,到十七世纪末叶,荷兰的万•德尔盖金兄弟制成了纵向缝合的帆布软管,在当时的消防业务中被广泛采用。后来,随着橡胶在国际市场上的出现及其硫化工业的发展,胶管和用金属丝或麻绳等织物铠装的胶管问世了。但是,工程上一些蒸气、热风类的高温介质;液氢、液氧、液氦类的低温介质;汽油、煤油、酸、碱等腐蚀性的介质……,若用胶管来输送,当然不行。特别是在高温条件下,它的安全可靠性就更难保证了。

因此,人们渐渐地把注意力集中到金属管方面,改变金属管的几何形状,使其内外表面产生相应的波纹。这样,它既具有同胶管一样的挠性;同时,又具有耐高温、耐低温、耐老化、耐腐蚀性能。于是,作为金属软管本体的金属波纹管就这样产生了。

一八五五年,德国最先发表了制造波纹管的专利。它是利用当时已有的制造首饰的原理来制造波纹管的。三十年以后,法国的E•Levavasseur与德国的H•Witzenmann合作研制新型金属波纹管,于一八八五年八月获得了法国和德国的专利权。这是用截面为s形的金属带在专用设备上绕制而成的螺旋纹管,它们用橡胶带、棉织物或石棉绳填垫在相邻两匝的咬口处,以利于波纹管内腔的密封


一八九四年,这类波纹管的结构得到了改进;人们用两根金属带按不同直径,向相反方向卷绕。这样,金属带在受力状态下达到相互平衡,克服了自开发展开的弊病。

一九二九年,在波纹管的结构上进行了又一次技术革命,即彻底解决了波纹管由于弯曲时填垫橡胶带或石棉绳的凹槽发生不均匀变化而丧失密封性的问题,从而开辟了波纹管发展的广阔前景。人们用钢和铜锌合金材料制成了整体波纹管,即用无缝的或有焊缝的管材制成的波纹管,它依靠波纹侧壁的弹性变形来保持一定的可压缩性或可拉伸性;同时,保证可靠的密封。

从二十世纪五十年代开始,双层、三层、多层的波纹管,特别是极薄壁不锈钢材波纹管发展得很快。为了满足使用要求,人们采用焊接、电铸、机加、和机械旋压等各种工艺方法来制造波纹管。最小公称通径为2毫米,最大公称通径可达400~500毫米,甚至有通径为10米的巨型波纹管。波纹数最少1~2个。最多可达连续几百、几千,甚至几万个。

从波纹管作为金属软管本体的重要意义来讲,金属波纹管的发展,也就意味着金属软管的发展。

随后,人们在波纹管外表面包覆上橡胶、塑料管或者尼龙等材料,铠装有金属丝或金属带所构成的网套,变换各种各样的接头形式,为适应各种使用条件下的不同要求创造了各种形式的金属软管。

目前,金属软管的类别有:专有的输气软管、输液软管、波导软管、屏蔽软管、真空绝热软管和长度、温度或角度的补偿管等。在许多国家,金属软管的设计、生产已经标准化、系列化。能够使用或必须使用金属软管的场合越来越多。它将在现代工业的各个领域中成为不可缺少的重要配件。

金属软管的结构特点

金属软管大体上由波纹管、网套及接头三大部分构成。波纹管是金属软管的本体,起着挠性的作用;网套起着加强、屏蔽的作用;接头起着连接的作用。对不同的使用要求,它们之间相互连接的方式各不相同:波纹管、网套与接头三部分以焊接的形式连接,叫做焊接式;以机械夹固的形式连接,叫做机械夹固式;除此,还有把上述两种方法联用的,叫做混合式。

波纹管

波纹管在美洲习惯称作波形管(Corrugated Tube)或波纹囊(Corrugated Box),在欧洲一般称作金属囊(德Metallbulgen,英Metal Bellows)。这种命名来源于老式的手工操作的鼓风气囊,在我国俗称它为“皮老虎”。

它是一种具有横向波纹的圆柱形的薄壁壳体,在轴向拉力或压力作用下,可以伸长或者缩短;如果给它施加一个产生弯曲力矩的横向力,则可以沿轴平面得到相应的位移。由于它在特性接近于现性和有效面积几乎不变的情况下能够产生相当大的位移,因此,在各个不同的技术领域中得到广泛的应用。

波纹管的性能取决于它的结构形式,而结构形式根据其制造方法的不同而异:电铸法可以获得壁厚均匀和高精度的波纹管;焊接法可以获得弹性极好的波纹管;机械旋压法可以获得特大公称通径的波纹管;机加切削法可以获得作弹性支承的波纹管;液压法可以获得综合性较好的波纹管。

目前,除用于仪器仪表中的弹性元件、敏感元件、测量元件以外,广泛地用作金属软管本体的波纹管,主要是以焊接成型、机械旋压成型和液压成型这三种方法制造的。它们有螺旋形和环行两大类,共八种。

螺旋形波纹管,这类波纹管一般壁厚为0.15~0.50毫米,通径为2~100毫米。环形波纹管,这类波纹管一般壁厚为0.15~1.0毫米,通径为6~500毫米;对特殊使用场合,还有制成壁厚为10毫米、通径为4000~5000毫米的巨形波纹管,它们以单层为主,也有双层、三层或多层结构的形式;常以不锈钢材为主,也有用碳钢、铜、铝、钛、铜锌合金、铜镍合金及其它金属材料制造的。

金属软管

从结构上来看,金属波纹管的培料有带材和管材两钟,它们都可以成型出环形波纹管和螺旋形波纹管。只是因为带材成型的波纹管总是有一定长度的钎焊或熔焊的搭扣和接头,这些地方常常积聚有工作介质的残渣,并沉淀有清洗试验和工作介质中的机械杂质污染内腔。因此,它的使用可信赖度要相对差一些。

环形波纹管是若干圆环膜片外缘与若干凹面向心的半圆环相切接,内缘与若干凹面背心的半圆环相切接的特殊几何形状的管子。

它的坯料以管材为主,这类波纹管具有挠性大、弹性好、制造简单、刚性小等特点。适宜用来制作承受一般工作压力,对挠性要求较高的大、中通径的金属软管。

螺旋形波纹管是一定长度的绕簧状的膜片外缘与绕簧状的凹面向心的半圆环相切接,内缘与绕簧状的凹面背心的半圆环相切接的特殊几何形状的管子。这类波纹管具有强度高、刚性大、制造简单等特点,适宜用来制作对挠性要求一般,强度要求较高的高、中压力,中、小通径的金属软管。

网套

网套是由相互交叉的若干股金属丝或若干绽金属带按一定顺序编织而成的,以规定的角度套装在金属波纹管的外表面,起着加强和屏蔽的作用。

网套不仅分担金属软管在轴向、径向上静负荷,还在流体沿着管道流动产生脉动作用的条件下能够保证金属软管安全可靠地工作,同时,还能保证软管波纹部分不直接地受到相对摩擦、撞击等方面的机械损伤。编织了网套的波纹管,其强度可以提高十几倍至几十倍。最高屏蔽能力可以达到99.95%。网套的材料一般与波纹管材料相同,也有以两种材料联用的。普通金属软管仅用一层网套;特殊使用场合,也有编织两层、三层的。根据波纹管通径大小及使用要求的不同,它常以直径为0.3~0.8毫米的线材或厚度为0.2~0.5毫米的带材来制作。线材每股4~15根,带材每锭一条。目前,生产的钢丝网套多为24股、36股、48股、64股的,特大通径的波纹管,还有96股、120股和144股的。网套主要编织参数除了(线材)股数m、丝径φ,(带材)錠数m’、厚度δ以外,还有覆盖面积A、编织距t0、编织角度φ等。它们都是决定金属软管性能的重要依据。

接头

接头的作用首先是将网套与波纹管联接为一体,同时,接头又是金属软管与金属软管或其它管件、设备相联接的部件。它保证介质在管路系统中正常地工作。接头的材料通常与波纹管、网套的材料相同,多以不锈钢为主。为降低生产成本,一些通径较大的金属软管在输送腐蚀性不强或无腐蚀性的介质时,接头可用碳钢制作;对于腐蚀性介质工作情况下的金属软管的接头,若设计上采取相应措施,避免与介质的接触,也可以采用碳钢来制作。接头的结构形式大体上分为螺旋式、法兰盘式和快速式三大类:

螺纹式 通径为50毫米以下的金属软管的接头,在承受较高工作压力的情况下,多以螺纹式为主,当拧紧螺纹以后,两个接头上的内、外锥度面紧密配合,实现密封。锥角一般为60度,也有用74度的。该结构密封性好,但安装时必须保证两个对接件的同心度。为了解决实际工程中经常见到的反复拆、装和不易同心等问题,也可以将接头设计成锥面与球头的配合。

法兰盘式 通径为25毫米以上的金属软管的接头,在承受一般工作压力的情况下,以法兰盘式为主。它以榫槽配合的形式进行密封。可沿径向转动,也可沿轴向滑动的活套法兰盘在紧固螺栓拉力的作用下连接两体。该结构密封性能良好,但加工难度大,密封面容易碰伤。在需要快卸的特殊场合,可以将固紧螺栓通过的孔划开,制成快卸式法兰盘。

快递式 通径为100毫米以下的各种金属软管的接头,在要求快速装卸的使用条件下,一般采用快速式。它常用氟塑料或特种橡胶制成的“O”形密封圈密封。当手把搬动一定的角度以后,相当于多头螺纹的爪指被锁紧;“O”形密封圈被压得越紧,其密封性能越好。该结构在火场、战地及其它必须快装快卸的场合最为适宜。在几秒钟的时间内,不需配用任何专用工具,就可以对接或拆开一组接头。

当然,管螺纹连接、锥管螺纹连接是最常用的连接形式,人们都很熟知,在这里就不作介绍了。 (end)

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