船用耐磨型橡胶软管的设计与应用

船用耐磨型橡胶软管的设计与应用

臧福铮,吴杨霞

南京利德东方橡塑科技有限公司 江苏 南京 210000

摘要：船用输油软管是一种专门用于船舶输送石油、燃料油、液化气等液体介质的软管，主要作用是将液体介质从船舶的储油舱、转油舱等地方运输到陆上的储油罐或加油站，使用环境较为特殊，因而对其性能要求十分严格，首先，船用输油软管需要具备一定的耐磨性，以防止在船舶移动过程中，软管与其他物体接触而造成损坏。其次，需要具备一定的耐压能力，通常要求在高压下不易变形、破裂或泄漏。最后，船用输油软管还应具有一定的软硬度，在需要弯曲或缠绕的部位能够自由弯曲或缠绕，以适应船舶的复杂运动情况。基于此，本文通过对软管管体结构进行设计优化，对软管材料进行优选搭配，并采用缠绕工艺制备出满足海上船舶耐磨要求的橡胶软管。

关键词：船用耐磨型橡胶；输油软管；设计；工艺

1 引言

油料对于船舶的正常运转非常重要，但在长时间的航行或驻泊过程中，船舶无法携带足够的油料或淡水，因此需要其他船舶进行补给。当两艘船之间距离较远时，无法直接通过刚性输油管道进行连接，需要使用更加柔性的输油软管。橡胶输油软管具有良好的柔性和韧性，可以轻松弯曲和扭转以适应两艘船之间的不同距离和水平差异，从而在两艘船之间建立起可靠的输油通道。基于输油软管的使用条件苛刻、内径较大、安全性高等特性，需要很好的软管管体结构设计和制备工艺，本文提供的船用耐磨型橡胶软管设计与制备工艺能更好地满足抗老化、强度等方面的要求，并具有更长久的服役能力，且在作业中拥有更高的安全性和更优异的作业性能。

2 软管管体结构设计

除去漂浮层后，软管管体结构设计如图1所示，橡胶层分为外胶层、中胶层、内胶层，在外胶层与中胶层之间、中胶层与内胶层之间分别设计一层密集编织的帘线层，提高软管的抗压能力，增加软管的强度和稳定性，减少软管的膨胀和收缩等变形。在中胶层中嵌入单根螺旋形式的钢筋，加强软管的扭转刚度，避免软管在使用过程中发生扭曲变形。如图2所示，螺旋钢筋直径为7 mm，与管道轴心成87°缠绕。

图1 软管管道横截面

图2 缠绕角

3 软管管体材料的选用

橡胶主要分为天然橡胶和合成橡胶，天然橡胶是从橡胶树、橡胶草等植物中提取胶质后加工而成；而合成橡胶则是以石油、天然气为原料，通过化学反应制造出来的高分子材料[1]。天然橡胶具有良好的耐磨性、耐撕裂性和弹性记忆性，在低温条件下仍有较好的柔韧性；而合成橡胶的物理特性则因为种类不同而不同。例如，聚乙烯（PE）橡胶具有优良的电绝缘性和耐腐蚀性，丁腈橡胶（NBR）则具有优良的耐油性和耐溶剂性。天然橡胶的化学稳定性不够好，容易老化和变质；而合成橡胶则通常具有较好的化学稳定性和老化抗性。由于原料来源不同，天然橡胶的生产成本更高，而合成橡胶则相对便宜。天然橡胶是传统的橡胶原料，主要应用于制造轮胎、胶管、胶带、电缆及其他橡胶制品；而合成橡胶则可根据不同种类的物理化学特性，应用于制造各种不同的橡胶制品，例如建筑密封材料、汽车零部件、工业管道等。各类常见的橡胶及其适用范围如下表1所示：

表1 各类常见的橡胶及其适用范围

结合各常见橡胶的优缺点及使用范围，本文针对软管技术要求进行分别讨论。

3.1内胶层

在选择船舶输油橡胶软管内胶层的橡胶时，需要对所传输的液体进行全面考虑，结合运输环境和承压要求等综合因素来进行选择[2]。通常情况下，输油橡胶软管直接接触的是石油、柴油等烃类液体，需要选择具有良好耐油性的橡胶材料。此外，还需要考虑运输压力、运输介质的化学性质、橡胶材料的物理特性等多个因素。综合来看，丁腈橡胶是船舶输油橡胶软管内胶层较为理想的选择。丁腈橡胶具有出色的耐油性能，以及很好的物理和化学稳定性，可以在各种液体环境下保持其弹性和性能。加之，丁腈橡胶还具有很好的抗裂性、抗磨损性和耐候性等特性，可以适应不同的使用环境和条件。

本文选用丙烯腈含量为 31%～35% 的优质丁腈橡胶作为橡胶软管的内胶层。

3.2内、外帘线层

船舶输油橡胶软管帘线缠绕层的选择需要综合考虑输送介质的性质、工作环境、压力、温度、帘线材料的强度、韧性、耐腐蚀性等等。

钢丝具有极高的强度和刚性，可以使得软管承受更大的拉伸力、压力和扭矩。相比其他常用的帘线缠绕层材料，如合成纤维、棉花和橡胶等，钢丝的强度更高，可以提高软管的耐压能力，确保输送介质的安全可靠。同时，由于钢丝化学稳定性较好，能够较好地抵御这些腐蚀性介质的侵蚀，避免软管受损，从而延长软管的使用寿命[3]。船舶输油橡胶软管在使用过程中，与各种硬质物体（如船舶桥墩、码头、锚链等）接触摩擦，易受到磨损，而钢丝由于具有耐磨性强的特点，可以保护软管不被过度磨损，从而提高软管的使用寿命。钢丝的材质还可以保证在高温下也能够保持良好的力学性能，因此适用于输送高温介质的软管帘线缠绕层，例如油、油蒸汽等。使用钢丝作为帘线材料，可以有效避免软管失效、变形、老化等问题。综上所述，钢丝的高强度、耐腐蚀、耐磨性和耐高温性能使其成为船舶输油橡胶软管帘线缠绕层的理想选择。

本文选用高模量、高强度的钢丝帘线，内外帘线层均由4层单层帘线-橡胶复合材料组成，它们以±50°的反向角度交替缠绕，每一层帘线与橡胶复合材料的厚度均为1mm。

3.3 外胶层

丁腈橡胶（NBR）+氯丁橡胶（CR）复合材料作为船舶输油橡胶软管外胶层材料，不仅具有较好的耐油性、耐磨性和耐臭氧性，而且能够在高温下保持良好的力学性能。

1.良好的耐油性

丁腈橡胶（NBR）是一种极具耐油性的合成橡胶材料，而氯丁橡胶（CR）具有较好的耐油性和耐磨性。因此，采用NBR+CR这种复合材料作为船舶输油橡胶软管外胶层材料，能够有效地抵御各种油、润滑油等石油类介质的侵蚀，减少软管老化速度，从而提高软管的使用寿命。

2. 良好的耐磨性

船舶输油橡胶软管在使用过程中，经常接触到大量海水磨损以及粗糙表面的物质，因此软管外胶层需要具有良好的耐磨性[4]。NBR与CR的复合材料具有较好的耐磨性，能够有效地预防软管在使用过程中因磨损而导致暴露软管内部层，从而保障软管的安全使用。

3. 良好的耐臭氧性

由于船舶输油橡胶软管在使用过程中，处于海洋环境中，可能还受到阳光、空气、臭氧等因素的影响。而NBR和CR这两种材料都具有很好的耐臭氧性，能够有效地抵御臭氧对软管的破坏，从而保障软管的使用寿命。

4. 高温下良好的力学性能

NBR和CR的复合材料还具有较好的热稳定性，可在较高的温度下保持良好的力学性能，同时能够避免软管变形、老化等问题，在高温环境下也能够确保软管正常工作。

4 软管管体制备工艺

4.1内胶层制备

首先，将混炼后的胶片压延成0.6~0.9 mm厚度的薄片，然后在分裁机上进行宽度分裁，内胶层的宽度为120~150mm，厚度为0.8mm。然后，采用螺旋缠绕的方式将3层压延后的胶片缠绕在芯棒上，缠绕应平整无皱褶，缠绕无缝隙，累计直径达到工艺要求的外径范围内。最后，通过自动化成型机包缠，使内胶层成型。

4.2外胶层制备

同样地，将混炼后的胶片压延成0.6~0.9 mm厚度的薄片，然后在分裁机上进行宽度分裁，外胶层的宽度为120~150mm，厚度为0.9mm。然后，采用螺旋缠绕的方式将2层压延后的胶片缠绕在内胶层上，缠绕应平整无皱褶，缠绕无缝隙，累计直径达到工艺要求的外径范围内。最后，通过自动化成型机包缠，使外胶层成型。

4.3内外帘线层

（1）预处理：钢丝内帘线层使用的钢丝经过清洗、去油脱脂等处理，确保表面无油污、锈蚀等杂质。

（2）成型：将预处理好的钢丝送入绕线机，并采用螺旋式对钢丝进行绕线加工，使其形成一定间隔的圆环状曲线。每组圆环应间隔均匀，相互重叠，从而确保整个层既具有高强度和刚性，又能够具有足够的柔韧性，以适应软管的弯曲和扭转。

（3）固定：在绕制完毕后，需要将钢丝内、外帘线层分别与软管芯管、软管外壳层进行缠绕固定，此过程可以通过热压粘合、化学胶粘等方式进行实现，以提高整个管体的稳定性和强度[5]。

5检验及应用

制备完成后，经一系列试验检验，全面评估输油软管的质量和性能，确保软管能够满足设计要求、安全可靠、耐久耐用。试验结果显示符合各项指标要求，试验包括破坏试验、内压爆破试验、气密性测试、低温冲击试验、老化试验、耐磨试验、油污染试验、环境适应性试验。

综上所述，在进行船用橡胶软管的外胶层设计时，考虑选用丁腈橡胶（NBR）+氯丁橡胶（CR）复合材料，可增强其耐磨性、耐油性；在胶层中增加内、外钢丝帘线层，可显著提高橡胶软管的强度、韧性等性能。

参考文献

[1]郭奎,阎炼.船用耐磨型橡胶软管的设计与应用[J].舰船科学技术,2022,44(5):170-173.

[2]王伟,于利波,李帅孝,祝庆龙.海上特种输油橡胶软管研制[J].中国橡胶,2016,32(12):44-48.

[3]王孜丰,苏芮,李志诚,雍占福.基于断裂力学的钢丝缠绕胶管疲劳寿命分析[J].橡胶工业,2020,67(04):243-250.

[4]韩珩,王世杰,吕晓仁.表面改性对丁腈橡胶耐油及耐磨性能的影响[J].橡胶工业,2015, 62(10):587–591.

[5]刘天中,仲亮.橡胶软管制造工艺研究[J].橡塑技术与装备,2015,41(14):43–44.