国内外钢丝编织胶管的发展概况.doc

国内外钢丝编织胶管的发展概况 胶管是国民经济中不可缺少的橡胶制品，它的应用范围涉及工程机械、采矿、冶金、石油、化工、汽车、航空、航海、建筑，农林、医疗、家用电器等领域。近年来，胶管产品在国内外的主要发展趋势是大长度、大口径和高压力，各行各业在耐高温、耐低温、耐屈挠疲劳、耐特殊介质和增大流量等方面提出了更高的要求。这些要求具体体现在胶管的编缠化和树脂化，这两种趋势互相影响促进和推动着胶管工业的发展。自上世纪80年代以来，胶管的工装水平有了飞跃的发展，诸如高速精密钢丝缠绕机、旋转式钢丝/纱线纺织机、短纤维增强胶管挤出机、大口径胶管成型机、包树脂机、尼龙水布缠解机、自动厚度/直径测量/控制装置、连续硫化装置等相继出现，极大地提高了胶管的生产速度、精度和质量。胶管用的聚合物材料已从橡胶扩展到塑料，并且有相当一部分软管，尤其是中、低压软管广泛采用热塑性塑料作为内衬层和外覆层。增强材料主要是钢丝、尼龙和聚酯，芳酰胺纤维已在少量胶管中获得应用。有些特种胶管采用钢丝帘线或钢丝绳，有的甚至采用互锁式缠卷钢片作为增强材料。计算机在胶管结构的设计、挤出模设计和胶料配方设计中已经成功应用，加速了胶管新产品的开发步伐。 1 国内外胶管产品的现状 1.1 国外胶管制造公司的战略动向 近年来，国外的一些胶管制造商出现了战略调整动向。这种战略调整主要涉及两个方面，一是生产向低劳动成本地区转移，二是内部结构调整，其目的是提高利润和保持在某一领域的主导地位。 1.1.1 生产基地转移 生产基地东移，即向东欧、东亚和东南亚地区转移。这种东移趋势主要鉴于两大因素，即劳动成本和靠近用户。 专业生产汽车空调胶管的意大利马奴里(Manuli)公司的空调胶管在欧洲占据大约12%市场份额。2001年该公司将其荷兰工厂的所有生产装置和意大利工厂的部分生产装置转移到波兰，因其生产成本较低而在竞争中处于优势地位。 德国凤凰(Phoenix)公司在罗马尼亚建立于一家胶管厂，并在匈牙利开设一个后勤中心，受理东欧的所有业务。 日本东海橡胶公司在中国大连、天津和广州建立三家独资的胶管厂，意在覆盖华北、华东和华南地区的汽车市场。 德国大陆(ContiTech)公司在中国上海和长春建立了两家合资的胶管厂，生产汽车动力转向胶管和空调胶管，供给通用和大众轿车公司。 1.1.2 突出优势领域 国外一些大的胶管公司，为了保持其市场的主导地位，集中优势于某一或某几个增长较快的领域。 德国凤凰(phoenix)公司在汽车流体传输系统(加热冷却胶管、空气增压器胶管、燃油胶管和空调胶管)和特种胶管(内陆和海上石油工业用胶管、混凝土浇注用胶管等)方面处于领先地位。因此，该公司将技术力量集中于这两个方面，而将其在工业用胶管市场上不占显著地位的两个液压胶管生产厂出售，这两家分别在德国和马来西亚的工厂年销售额均在1000万欧元左右，可见其调整力度。 另一种调整是将原来只生产和供应胶管的分公司改造成管线装配系统分公司，比如，装配胶管的燃油管线系统、空调管线系统、动力转向管线系统等，这样，能够提高利润，方便制造厂装配。 1.2 我国胶管企业体制改革 在我国胶管行业中，体制改革正在稳步进行，促进了企业的发展，增强了企业的活力。体制改革是以不同的形式进行的，其中包括与外商合资、企业改制和企业内部机构调整。 典型的有上海橡胶行业体制改革；浙江省胶管企业200家左右，已有三分之二进行了改制，实行了股份制；宜昌中南橡胶集团采取对外招商租赁方法，对其所属工厂民营化。 企业内部机构重组，改变经营方式，增强企业活力。西北橡胶总厂组建了股份合作制公司特种胶管公司。开封铁塔橡胶集团有限公司进行机构重组，由原集团的三分厂改制为铁塔高压胶管有跟公司，实行股份制，使钢丝编织胶管的生产出现了转机。 与国外企业合资，沈阳第四橡胶厂与美国派克的合资公司-沈阳埃迪亚橡胶制品有限公司，已运营3年多，销售额和利润都呈稳步增长趋势；德国大陆公司2000年在上海建立了一家合资公司大陆上海流体有限公司(ContiTech Fluid Shanghai Co. Ltd)，生产汽车动力转向胶管，供应大陆和通用汽车公司；德国大陆公司还与长春大洋胶管厂合资成立大陆大洋公司(ContiTech Grand Ocean)，主要生产汽车空调软管和动力转向胶管，为大众、捷达、BORA和奥迪A6型轿车配套，该公司已于2002年开始生产。 外商独资胶管企业也在我国陆续出现。日本东海橡胶工业株式会社出资370万美元，收购大连一家工厂的胶管生产部分，成立东海大连胶管有限公司，生产普通胶管(一层或两层橡胶管)，燃料胶管、废气排放胶管和废水排放胶管。东海公司还在天津建立了一家子公司-东海橡胶(天津)有限公司，在广州筹建东海橡胶(广州)有限公司，生产汽车用胶管。 1.3 胶管产品的最新进展 1.3.1 汽车胶管 近年来，国外在胶管领域研究最多的是汽车用胶管。这是因为自上世纪70年代开始，汽车工业本身出现了变化，主要是燃油成本的变化，制冷剂的更换，发动机舱变小，内部零部件排列紧凑，从而使发动机舱内温度大幅度提高。除汽车本身以外，环保法规要求燃油和制冷剂向大气中的排放量不得超过规定的标准。因此，要求胶管能耐更高的温度，耐新型燃油和新型制冷剂，具有更低的燃油和制冷剂渗透性。 (1)燃油胶管 燃油胶管内胶层一般使用NBR，但是随着含氧元素燃料和电子喷射装置的使用，要求燃油胶管具有更低的渗透性，现在内层胶大多采用复合结构，在内胶层的里面内衬一层很薄的FKM(氟橡胶)层，或在内胶层的外面包覆一层很薄的聚酰胺层，这样，内胶层变为双层结构。 (2)空调胶管 空调胶管的改变主要起因于制冷剂的更换。原来的CFC-12已被HFC-134a所取代，而制冷剂用的润滑剂改为聚亚烷基二醇(PAG)。为了耐高温、耐制冷剂渗透，空调胶管的内胶层胶料已由NBR改为IIR或HNBR，有些在内胶层里面还镶衬一层聚酰胺内衬层。 最初汽车空调胶管曾使用过热塑性塑料尼龙11制备，现在已基本淘汰，因为硬的尼龙会将噪音和振动从压缩机和发动机传递到驾驶室，而橡胶软管则无此弊端。 (3)涡轮增压器胶管 柴油机在汽车上的应用愈来愈多，因为柴油的挥发性比汽油小。柴油机，甚至汽油发动机均需装配涡轮增压器，这就需要用胶管输送空气。这种胶管的一端通常要承受210温度作用，另一端通常为160。因此，增压器胶管应具有良好的耐高温性能。增压器胶管的结构为硅橡胶内衬、氟橡胶内胶层、芳酰胺纤维增强层和硅橡胶外胶层。 1.3.2 海上输油胶管 海上输油胶管分为浮式、半浮式和海底输油胶管三大类。 浮式输油胶管一般为整体浮式胶管，浮体为海绵材料。这种胶管在单点系泊浮筒与油轮或海岸之间作输送原油用。 整体浮式胶管以Phoenix公司的双层管体结构胶管最为先进。这种胶管含有主管体和副管体，二者之间不粘合，在副管体外面是浮体。主管体与副管体之间配置有电子传感报警系统。一旦主管体破裂，原油进入主、副管体之间，使胶管局部鼓起，并与电子传感器相接触，发出音响和目视警报，以便以较低的压力继续输油，然后进行更换。 半浮式输油胶管的基本结构和浮式胶管的主管体相同，只是浮体在胶管成型后另行安装上去。可根据浮力大小，在胶管的不同部位安装不同数量的外浮体。这种胶管一般用于水中单点系泊系统浮标与海底输油管之间。 海底输油胶管，最先进的当属法国制造的胶管。这种胶管的增强层为互锁式缠卷钢片条，外覆层为聚氨酯，适用于长期在海底使用。 1.3.3 我国胶管新产品的研究与开发 我国胶管行业在研究与开发方面做了大量工作，取得了可喜的成果，促进了胶管行业的科技进步，获得了较好的社会和经济效益。表1列出了近年来我国研究与开发的部分新产品。 表1 近年来我国研究与开发的部分胶管新产品产品名称技术性能研究与开发单位飞机用高温高压胶管工作压力21 MPa，峰压31.5 MPa，脉冲次数50万次，13537min，1707min沈阳橡胶研究设计院机车增压系统连接胶管工作温度180-195，使用寿命2000h，累计8000h沈阳橡胶研究设计院新一代汽车散热器胶管符合德国大众公司TL-680-93标准上海尚翔汽车胶管有限公司电加热耐压输油胶管通电1h达到并可保持60-80沈阳第四橡胶厂大长度海上输油胶管102mm150m沈阳胶管总厂汽车HFC-134a空调胶管符合SAEJ2064-93标准，取代CFC-12制冷剂胶管南京7425厂混凝土浇注用胶管426mm和508 mm，长度15 m，使用温度范围0-400宜昌中南橡胶厂莱州橡塑制品厂芳酰胺纤维增强高压树脂软管质量仅为钢丝增强胶管的1/5西安交通大学大口径高压海底输油胶管内径6、S、10和12英时*，硫化长度50 m，可对接为无限长胶管组合件，工作压力15 MPa河北欧亚特种胶管有限公司大口径钢丝编织胶管内径150mm和200弯曲半径小，耐高低温，抗疲劳河北景县龙力实业有限公司大口径金属法兰联接重型吸引胶管内径330mm,工作压力2.5 MPa酒泉荣泰橡胶制品有限公司 *注：1英时=0-0254m。 1.3.4 我国胶管行业的生产规模 我国胶管行业发展至今，生产企业已发展到700多家，具有一定生产规模的140多家，分布在除西藏之外的所有其他省、市、自治区。产品种类日趋齐全，基本上满足我国各行业对胶管的需求。生产工艺及装备系通过自行研究与开发以及从国外引进，水平在不断提高。产品性能和质量达到国际标准、国家和行业标准的要求，基本满足各种应用要求。产量在逐年增长。部分产品已打入国际市场，出口呈逐年递增之势。我国已成为胶管生产大国。就整体而言，尽管在某些方面与发达国家相比，仍有一定的差距，但是我国胶管行业已经达到世界较高的水平。 自进入二十一世纪以来，我国胶管产量在不断增加。据国家统计局的统计，以110家胶管生产企业的产量为基础，只涵盖了全国胶管企业的主要厂家，仍有大量的小型企业，乃至部分中型企业没有包括在内。因此，全国胶管实际总产量远高于统计数字。在所统计的企业中，胶管产量的在100万标米以上的有40家左右，占总数的35%左右。2 国内外钢丝胶管生产技术的进展 2.1 钢丝编织机缠绕机和合股机 近年来，钢丝编织机和缠绕机都有一些新的改进，特点是转速更快、效率更高。美国马格纳泰克(Magnatech)公司的RB-2旋转式钢丝/纱线编织机有16、20、24和36锭四种规格，钢丝编织机转速分别为90、80、69和45 r/min，纱线编织机转速分别为100、90、75和50 r/min；钢丝编织机生产速率分别为1.6 m/min(80mm ID)、1.8 m/min(10.0mm ID)、3.0 m/min(12.7mmID)和2.5 m/min(25.0mm ID)；纱线编织机生产速率分别为1.8、2.0、3.3、2.8 m/min。 (2)美国马格纳泰克(Magnatech)公司的钢丝缠绕机已经有了新的Wsw-型。WSW-型每组锭子钢丝根数为6、5、4和3，钢丝容量分别为2.95、3.7、5.0和7.0kg，每盘钢丝根数分别为180、150、120和90根，以100 r/min转速计，生产速率分别为11.3 m/min(钢丝缠绕层直径24.0mm)和4.2m/min(钢丝缠绕层直径19.0mm)。 无论是WSW-型，还是WSW-型，转速均提高33%，达100r/min，钢丝容量均为635kg(按180根计)。在基本结构不变的情况下WSW-型钢丝缠绕机可有钢丝的三种预设定装置标准型、软芯法和大口径管预设定装置。转换时间比WSW-型减少50%，每盘30-40min，从而提高了加工效率和生产率。使用大口径管预设定装置，可以生产外径7.6-64mm的胶管。 欧洲出现了一种新型钢丝缠绕机，有24锭和36锭两种规格，其基本结构与美国马格纳泰克(Magnatech)公司的缠绕机相似，主要区别在于其锭子结构和缠绕口型。这种缠绕机的钢丝不是单根从每个锭子上引出并铺设到胶管上，而是像编织胶管的钢丝那样多根钢丝以钢丝带的形式铺设到胶管上。它的锭子，如同编织机的锭子一样，每个锭上面合股若干根钢丝，这种缠绕机所用的钢丝不使用导线机，而与编织胶管一样，使用钢丝合股机。 (3)美国马格纳泰克(Magnatech)公司推出一种新型的钢丝合股机BW-7-ELC型带有电子长度控制放线装置的钢丝合股机；这种合股机锭子最大转速2250r/min，生产速率520m/min，钢丝带宽10mm，每一带宽可容纳0.2-0.6mm钢丝3-36根。合股机配备有单板计算机和操作员接口，可控制伺服电机速度和旋转方向，以获得正确的导程和横向长度；操作员只需输入锭子类型、钢丝直径、钢丝根数、每锭钢丝长度和钢丝最大线性速度，机器可自动为所选择的锭子类型提供正确的横向长度设定值，为操作员选择的钢丝直径/根数组合提供所需的导程，并在运行过程中按需要加以调节；可通过RS-232通道远程为机器状态和生产速率数据提供选择。 2.2 成型工艺 三种传统的钢丝编织胶管的成型工艺各有优缺点。硬芯法，生产长度受到限制，生产效率较低，难以实现生产的自动化和连续化，但产品质量比较稳定，胶管的尺寸比较准确，性能得到保证。软芯法，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。无芯法是将压缩空气或低压水充入软管内代替胶芯，内胶层先半硫化，然后经冷冻硬化后再进行编织，这种方法具有工艺简单，生产效率高，可生产大长度胶管的特点，有利于自动化连续生产，但存在尺寸公差难控制、外胶层易起泡、产品性能不稳定等缺陷。 上世纪80年代初出现了固定芯棒法和回转芯棒法挤出工艺。固定芯棒法是英国专利，采用表面多孔的中空硬芯棒，将其一端固定在挤出机上，挤出内胶层时，通过芯棒内的压力流体，在芯棒和内胶层之间形成一个润滑层，使管胚在芯棒上移动，在内胶层离开芯棒前，即将增强层编织好。回转芯棒法是使芯棒穿过挤出机螺杆，或固定在螺杆上，进行内胶层挤出和编织增强层。这两种工艺属无芯法的扩展，无需半硫化内胶层，产品规格准确。 2.3 胶料配合 钢丝编织胶管的破坏主要是爆破或接头处断裂。因此，除了要求胶管的外层胶耐使用环境老化、内层胶耐液压介质外，还应具有较高的定伸应力、动态疲劳性能、撕裂强度和较低的压缩永久变形等。 2.3.1 胶种选择 内层胶视满足压力介质的性质和温度范围而定，除常用的NBR(丁腈橡胶)外，考虑到更低渗透性的要求，已使用IIR(丁基橡胶)、FKM(氟橡胶)、HNBR(氢化丁腈橡胶)、改性尼龙。为降低成本，在内层胶外涂覆一层薄薄的FKM或改性尼龙层。 中胶层胶料可选择低丙烯腈含量的丁腈橡胶或氯丁橡胶。通过向胶料中加入SBR或CR，可改善镀铜钢丝与NBR胶料的粘合性能。 外胶层以往以CR(氯丁橡胶)为主，目前已广为采用EPDM(三元乙丙橡胶)、IIR(丁基橡胶)、NBR(丁腈橡胶)与CSM(氯磺化聚乙烯)或氯化聚乙烯或ECO(氯醚橡胶)并用，以提高耐天候性、耐臭氧和低温性能。 2.3.2 硫化体系 硫化体系要根据具体胶种而定，若是丁腈橡胶，通常采用硫黄硫化体系。促进剂以噻唑类和次磺酰胺类效果较好。在NBR与CR并用的配方中，若CR配比大于NBR，应按CR的硫化体系配合。如将氧化锌、氧化镁等硫化活性剂并用，不仅可以取得良好的硫化效果，还可以提高胶料的粘合强度。同时，配合适量的氧化镁可获得较好的耐热性能及抗压缩性能。 2.3.3 补强剂及填充剂 通常配用高耐磨炉黑HAF、通用炉黑GPF或两者并用，或与半补强炉黑SRF并用。若并用部分快压出炭黑，则挤出阻力小，管胚表面光亮。若配用大量的喷雾炭黑，可获得更为满意的综合物理机械性能、低温性能和挤出性能，压出的管坯表面光泽性好，可提高胶料的密实性和定型性。中层胶可并用白炭黑，以提高胶料与钢丝的粘合性能。 2.3.4 粘合体系 通常采用间甲白粘合体系来提高NBR胶料与镀铜钢丝编织层的粘合强度。在酚醛树脂(RF树脂)、HMMM与白炭黑并用试验中，白炭黑用量是改善胶料与镀黄铜钢丝粘合性能的主要因素。 钴盐可以明显改善镀铜钢丝与橡胶之间的粘合性能，在中胶层采用硼酰化钴与粘合剂AS-88并用，可取得良好的粘接效果。 2.3.5 软化剂 软化剂用量不宜过多，否则会影响胶料粘合性能。在丁腈橡胶和氯丁橡胶的配合中，增塑剂的品种以酯类效果较好，其中脂肪二元酸酯(如己二酸二辛酯等)的增塑效果及低温性能比苯二甲酸酯类(如邻苯二甲酸二丁酯等)更为优异，两者并用效果更好。 2.3.6 防老剂 一般认为，防老剂对粘合性能的直接影响不大。但防老剂BLE对橡胶，特别对丁腈橡胶与镀铜钢丝的粘合有特殊的增粘作用。因此，在中胶层配方中，可采用防老剂BLE提高胶层与钢丝骨架的粘合强度。 2.3.7 增强材料 有两种化学纤维有望取代钢丝用于编织胶管，使胶管的质量减轻，柔软性好，强度高。 一种是芳纶，它既有钢丝的强度，又有纤维的柔性，它相对密度小、模量高、强度大、变形小、耐腐蚀、耐高温且阻燃(550以上才分解炭化，可长时间在300的高温下工作)，耐疲劳性良好，是一种很有发展前途的骨架材料。至于它与橡胶的粘合问题，通过对芳纶进行等离子处理后有较大改善。 另一种是POK纤维(聚甲酮纤维)(英国SHEII公司产品)，这是一种超高强度、超高模量纤维，其强度指数为200(人造丝100、聚酯60、PEN100、芳纶300)，模量指数为250(人造丝100、聚酯60、PEN100、芳纶300)，而且有极高的耐热性，它收缩率低，无需浸渍处理，与橡胶的结合非常好。 2.4 胶管结构设计 钢丝编织胶管的编织层通常都按平衡角(5444)进行编织而成，这种结构的胶管具有承压性能好、弯曲性能好、材料利用率高等优点，但是这种编织结构仍存在着缺陷。54-44，是从单层薄壁容器受力状态分析推导出来的经典角度，但对像高压胶管这种多层增强的厚壁管体，这个角度就不很适用了。比如，按这个角度设计的胶管，一个工作层其爆破压力可达理论值的80%左右，两个工作层约75%，三个工作层只有65%左右，四个工作层或小口径胶管的三个工作层，要达50%都有一定困难。各增强层受力不均，内层应力大，外层应力小，且逐层递减。在脉冲试验和实际使用中，胶管内层钢丝常区疲劳而断裂，中层和外层却完好无损，严重影响胶管自的内在力学性能。对于多层编织结构的胶管来说，常使内层骨架包覆角略小于平衡角。而外层包覆角略大于平衡角，即通常被称为“配合角”结构：其特点是能使胶管在承受内压的情况下、更好地发挥各层骨架材料的作用。实践中，用钢丝增强胶管的“最佳角度数列”设计方法。克服了多层增强结构在力学上的不均匀性。对钢丝编织胶管大变角等强度设计使产品在静压试验时长度变化率低、脉冲试验中摆动振幅小。 2.5 胶管的硫化 用硬芯法生产的胶管仍然使用包缠水布方法进行硫化，胶管缠水布法硫化已经普遍采用尼龙水布。软芯法也可使用尼龙水布包缠，并且有相应的缠/解水布机。 用软芯法生产钢丝编织胶管、纱线编织或缠绕胶管，过去通常采用包铅硫化方法，以使管壁致密和外表面光滑美观。包树脂硫化法在上世纪80年代已经有专利发表。但是，直到近年来，考虑到铅对环境的污染，包树脂硫化法才开始使用。包树脂硫化法的基本原理与包铅法相同，只是介质由铅改为树脂，且树脂也可以重复使用。 现在已有国产包树脂设备，与包铅设备相比，国产包树脂设备投资少(18万元，包铅机196万元)，熔点低(300-235，包铅机327t)，效果相同。 液压胶管加压盐浴