礦用可扁平聚氨酯高壓軟管性能測試與分析

王 巍

(1.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037；2.國家煤礦防塵通風安全產品質量監督檢驗中心，重慶 400037)

礦用可扁平聚氨酯高壓軟管具有單根長度大，體積小，重量輕，柔韌性強，便于卷取和鋪設，環境適應性強的特點，被廣泛用于海上石油輸送、煤礦或非煤礦山應急救援、井下排水、防汛抗旱和頁巖氣開發等方面[1-2]。軟管由內膠層、結構層和外膠層構成，內、外膠層材料選用耐油、耐水、耐老化、具有抗靜電阻燃性能的聚氨酯、橡膠等，結構層材料多為高強度滌綸纖維、尼龍纖維并植入導電絲，具有承壓保型能力。在軟管與軟管之間采用快速接頭、軟管與其它輸液設備管路之間連接，形成能夠承受一定壓力的輸液系統，實現快速連接、鋪設、排水，為救援搶險帶來極大的方便，贏得大量寶貴時間。近年來聚氨酯高壓軟管逐漸應用于礦山搶險救援中，軟管直徑通常選用Φ150 mm 至Φ250 mm，額定工作壓力2.8 MPa，爆破壓力可達8.4 MPa[3]。本文主要對聚氨酯高壓軟管的阻燃性能、抗靜電性能、縱向拉斷強力及拉斷伸長率、工作壓力、最小爆破壓力、耐磨性進行實驗，研究軟管的各項性能指標能否滿足煤礦產品安全準入要求。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器

酒精噴燈燃燒試驗裝置(自制)、臥式拉力機YNS-3000(長春機械科學研究院有限公司)、萬能試驗機CMT5305(美斯特工業系統(中國)有限公司)、高阻計ZC46A(上海第六電表廠)、靜液壓試驗機XGJ-10(承德市金建檢測儀器有限公司)、Taber耐磨試驗機LGD-5612A(昆山鷺工精密儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

實驗樣品選用直接為Φ150 mm×1.2 m的聚氨酯高壓軟管。按照MT181的試驗方法，截取6個樣品寬度為25 mm的圓環，點燃噴燈，調整其火焰高度為150～180 mm，在噴燈噴火口中心50 mm處的火焰溫度應為960℃±60℃時，進行酒精噴燈燃燒試驗。按照MT181的試驗方法，選取3根Φ150 mm×1.2 m的聚氨酯高壓軟管，將樣品放置在溫度為23℃±2℃，相對濕度為65%RH±5%RH的環境中至少2 h，測量時，將兩個電極緊密地附著在試件的外壁表面，并遍及試件外壁一周，兩電極間相距1000 mm，將樣品放在絕緣墊塊上，再將兩個電極分別用引線接入高阻儀，施加試驗電壓1 min后，測量電阻。按照MT914的試驗方法，將樣品沿軸向方向裁制3個啞鈴狀標準試樣，將樣品放置在溫度為23℃±2℃，相對濕度為45%～75%RH的環境中16 h，實驗時夾持器以100 mm/min的恒速對試樣進行連續拉伸，直到試件斷裂為止，記錄拉力值。按照GB/T15560的試驗方法，選取1根Φ150 mm×1.2 m的軟管，將軟管與接頭和靜液壓試驗機連接好，將軟管中充滿水，預處理1 h，然后連續均勻地把試樣壓力升到正常工作壓力的1.5倍(4.2 MPa)，保壓1 h；進行爆破壓力試驗時，均勻、快速地對試樣施加壓力，直到試樣在60～70 s內破裂為止，記錄試驗數據。按照GB/T 30314的試驗方法，從軟管上隨機截取1個圓形測試樣品，每個試樣直徑為114 mm±1 mm，中心孔徑為6.35 mm，稱量試樣的質量，將試樣按照在磨耗機的轉盤上并壓平，砂輪的轉速為75 r/min，在無附加壓重作用下，磨輪轉數250000轉，記錄質量損失量。

2 結果與討論

2.1 阻燃性能試驗

由表1可知，軟管的酒精噴燈有焰燃燒算術平均值小于3 s且單個樣品最大燃燒時間不超過10 s，酒精噴燈無焰燃燒算術平均值小于10 s且單個樣品最大燃燒時間不超過30 s，滿足MT181標準要求。未經阻燃處理的普通聚氨酯軟管在空氣中是可燃的，酒精噴燈燃燒試驗表明樣品點燃后出現熔滴現象，直接滴落在燃燒箱中，滴落物離火后立即熄滅，試樣增強層出現短暫的無焰燃燒現象。實驗結果表明燃燒產生熔滴現象的是內外膠層的聚氨酯材料，離火即熄滅表明材料中添加了阻燃劑；增強層為高強度纖維，出現短暫的無焰燃燒情況而未出現“燈芯效應”表明增強層纖維具有一定的自阻燃性。

表1 聚氨酯高壓軟管的酒精噴燈燃燒時間數據

2.2 抗靜電性能試驗

非金屬制品用于煤礦井下時通常有阻燃抗靜電性能要求，抗靜電性能一般用表面電阻表示，表面電阻越大，抗靜電性能越差。由于軟管用于井下排水，按照標準要求只需外壁表面滿足抗靜電要求即可。由表2可知，聚氨酯高壓軟管的外壁表面電阻平均值小于1×109Ω，滿足標準MT181的要求。

表2 聚氨酯高壓軟管的外壁表面電阻值

2.3 拉伸強度試驗

表3 啞鈴狀試樣拉伸強度及拉斷伸長率

2.4 耐壓及爆破壓力試驗

增強層在軟管中起著承壓和保形作用，當軟管受到的是內壓負荷和軸向拉力時，纖維層織物受到經向和緯向張力的作用。當沿織物經、緯兩方向的耐壓負荷達到極限值時，軟管增強層最弱一點的紗線斷裂，缺口處出現應力集中，管壁會沿經向或緯向撕裂[4]。軟管的設計工作壓力為2.8 MPa，按照標準要求，4.2 MPa試驗壓力下保持1 h，軟管未滲漏、未破壞。軟管的最小爆破壓力為8.6 MPa，軟管破壞為軟管中間部位的經向線斷裂，這表明增強層纖維的強度、經緯向的編織方式及內外膠層與增強層的結合方式對軟管的爆破壓力有影響。軟管爆破前后外觀圖，如圖1所示。

圖1 軟管爆破前與爆破后的外觀圖

2.5 耐磨性試驗

圖2 軟管磨耗前與磨耗后的對比圖

3 結論

軟管具有較好的阻燃性能，試樣經酒精噴燈點燃后內、外膠層出現熔滴，滴落物離火熄滅，增強層具有自阻燃性；軟管的外壁表面電阻平均值小于1×109Ω，滿足標準MT181的要求。軟管具有高扯斷強力，其整管拉伸強度為640 kN/m，軸向取樣啞鈴狀試樣拉伸強度633 kN/m，表明試樣不同的測試方式不會影響實驗的結果。在4.2 MPa試驗壓力下保持1 h，軟管未滲漏、未破壞，最小爆破壓力達8.6 MPa，能夠滿足長距離輸送高壓水的能力；軟管增強層纖維的強度、經緯向的編織方式及內外膠層與增強層的結合方式對軟管的爆破壓力有影響。軟管的外膠層經過250000轉的耐磨性試驗后，外膠層未破壞，增強層纖維未外漏，磨耗量為2.38%，表明軟管具高耐磨性能。因此，可扁平聚氨酯高壓軟管的各項性能指標能夠滿足煤礦產品安全準入要求。