直埋管抗壓強度與軸向滑動試驗裝置設(shè)計

夏鳳鳴,劉 英,楊雨圖,倪曉宇

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院,江蘇南京 210037)

直埋管抗壓強度與軸向滑動試驗裝置設(shè)計

夏鳳鳴,劉 英,楊雨圖,倪曉宇

(南京林業(yè)大學機械電子工程學院,江蘇南京 210037)

通過綜合比較國內(nèi)外現(xiàn)有直埋管抗壓強度與軸向滑動試驗裝置結(jié)構(gòu)特點,根據(jù)設(shè)計要求,提出了以吸砂機配合砂箱平車分工位完成試驗與裝砂卸砂的總體設(shè)計方案,該裝置包括砂箱平車、推拉力試驗機、液壓加載裝置、吸砂系統(tǒng)以及工作梯5個部分。應用三維虛擬建模技術(shù)設(shè)計砂箱平車、推拉力試驗機等機械結(jié)構(gòu)。在虛擬建?；A(chǔ)上,完成砂箱的靜態(tài)性能分析,校核砂箱的強度和剛度。

試驗裝置;直埋管;結(jié)構(gòu)設(shè)計;有限元分析

在工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中使用著大量的蒸氣、熱水及其他各種熱媒,而這些熱媒必須采用某種敷設(shè)方式的管道輸送至用戶,直埋管道系統(tǒng)因具有工程造價低、熱損失小、節(jié)約能源、防腐、絕緣性能好、使用壽命長等突出優(yōu)點而得到了廣泛的應用[1-3]。由于直埋管輸送的蒸氣、熱水具有高溫、高壓的性質(zhì),管內(nèi)溫度高達幾百度,壓力高達十幾個大氣壓,因此要求管線直埋管內(nèi)的芯管能夠在熱脹冷縮時可靠移動,并通過管內(nèi)的補償器實現(xiàn)軸向位置補償,否則會引起管線失效[4-6]。

總體抗壓強度和軸向滑動性能試驗主要用來檢測直埋管在受到一定壓力的情況下內(nèi)管的滑動性能,國內(nèi)主要型式的試驗機構(gòu)都把總體抗壓強度和軸向滑動性能試驗作為直埋管型式試驗的主要項目[7]。但是目前國內(nèi)尚沒有能夠完成自動裝卸砂、適合全規(guī)格管徑、具有對中裝置的直埋管型式試驗設(shè)備,為此本文設(shè)計了直埋管抗壓強度與軸向滑動試驗裝置。該試驗裝置既能用于本科教學、教師科研,又能作為江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院的型式試驗裝置。

1 試驗用砂箱模擬裝置

該試驗采用砂箱模擬直埋管埋在地下的工作環(huán)境(見圖1),在砂箱上配備剛性壓板,以便施加載荷圖中G是壓板對砂施加的均勻載荷,D是試件內(nèi)管外徑。試驗時通過檢測往返推動內(nèi)管所需的力來判斷其軸向滑動性能[8]。

圖1 砂箱模擬裝置結(jié)構(gòu)

2 試驗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 試驗裝置總體結(jié)構(gòu)

本試驗裝置總體結(jié)構(gòu)見圖2,主要包括砂箱平車、推拉力試驗機、液壓加載裝置、吸砂系統(tǒng)以及工作梯。

圖2 試驗裝置的總體結(jié)構(gòu)

2.2 試驗裝置工作原理

2.2.1 空載試驗

如圖3所示,首先將砂箱平車移至換管工位,安裝好套板與試驗管后將砂箱平車移至試驗工位,調(diào)節(jié)推拉力試驗機的伸出桿至試驗管的中心高度,連接推拉力試驗機的伸出桿與試驗管內(nèi)管,開始試驗;試驗結(jié)束后,解除推拉力試驗機伸出桿與試驗管內(nèi)管的連接。

為加快推進水利現(xiàn)代化建設(shè)，江蘇省江陰市水利局根據(jù)水利部、江蘇省及無錫市水利信息化發(fā)展規(guī)劃，按照統(tǒng)一標準、資源整合、綜合利用、科學管理、上下銜接、有序推進的原則，以水利業(yè)務管理職能為依據(jù)，以應用需求為導向，以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，精心組織編制了《江陰市水利信息化工程建設(shè)規(guī)劃（2012—2015年）》和《江陰市水利信息化一期工程建設(shè)可行性研究報告》。2013年4月，經(jīng)批準后的一期工程完成設(shè)施安裝、軟件開發(fā)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及試運行，5月完成驗收鑒定、應用培訓、成果啟用。

圖3 空載試驗原理示意圖

2.2.2 加載試驗

如圖4所示,首先將砂箱平車移至裝卸砂工位,打開儲砂罐閥門,砂子憑借重力自動流入砂箱,裝砂量滿足試驗要求后關(guān)閉儲砂罐閥門;將砂箱平車移至試驗工位,液壓加載裝置給砂箱加載,調(diào)節(jié)推拉力試驗機的伸出桿至試驗管的中心高度,連接推拉力試驗機的伸出桿與試驗管內(nèi)管,開始試驗;試驗結(jié)束后,解除推拉力試驗機伸出桿與試驗管內(nèi)管的連接,液壓加載裝置卸載返回,將砂箱平車移至裝卸砂工位,工作人員開啟吸砂系統(tǒng),手握吸砂管吸砂。

圖4 加載試驗工作原理示意圖

2.3 砂箱平車設(shè)計

本裝置適用于全部規(guī)格的直埋管試驗用,外護管公稱規(guī)格包括:DN219、273、325、377、426、530、630、720、820、920 mm。砂箱上安裝全規(guī)格開孔套板、砂箱底部安裝行走輪箱的結(jié)構(gòu),全規(guī)格開孔套板保證試驗裝置適用于全規(guī)格直埋管,行走輪箱及其驅(qū)動系統(tǒng)保證砂箱平車在鋼軌上前后移動。砂箱設(shè)計為上方開口的箱體結(jié)構(gòu),由鋼板焊接而成,前后兩側(cè)開槽,用于安裝開孔套板,槽兩側(cè)焊加強筋,以增加箱體強度。開孔套板分上套板與下套板,最大規(guī)格DN920的下套板焊接在砂箱上,其他規(guī)格的開孔套板都可以安裝在DN920的下套板上。砂箱平車結(jié)構(gòu)示意圖見圖5。

圖5 砂箱平車結(jié)構(gòu)示意圖

每種規(guī)格的開孔套板適用于相應規(guī)格的直埋管,不同管徑的直埋管試驗時只要換上相應規(guī)格的開孔套板即可。套板邊緣設(shè)計為凸臺搭肩式,配合擋塊和插銷,使得套板與砂箱、套板與套板之間的連接極為便利,連接時只需將套板的搭肩靠上凸臺,推上兩側(cè)的插銷便可,極大地縮短了安裝試驗管的時間。最大規(guī)格的下套板直接焊接在砂箱上,其他規(guī)格套板在使用時都安裝在最大規(guī)格的下套板上。開孔套板裝配圖見圖6。

圖6 開孔套板裝配圖

2.4 推拉力試驗機設(shè)計

推拉力試驗機主體結(jié)構(gòu)為X、Y雙方向試驗空間結(jié)構(gòu)(見圖7),X水平方向為負荷試驗部分,電機位于右端,左端為主軸加載端并連接負荷傳感器,可完成拉伸、壓縮試驗,電機通過同步齒型帶驅(qū)動精密絲杠副旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)移動橫梁水平方向的前后移動,對試樣進行加載;Y垂直方向為試驗空間調(diào)節(jié)部分,以適應不同管徑試驗夾套管中心位置的變化,電機通過同步齒型帶驅(qū)動精密絲杠副旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)水平負荷試驗部分垂直上下移動調(diào)節(jié)。

圖7 推拉力試驗機結(jié)構(gòu)示意圖

3 砂箱強度與剛度校核

砂箱鋼板屬于薄板,原則上可以使用板殼力學中的薄板彎曲理論來計算,但是查閱資料后發(fā)現(xiàn),薄板彎曲問題常用的理論解法有兩種:納維埃(Navier)解與李維(Lévy)解,前者又稱為雙三角級數(shù)解,適用于四邊簡支邊界條件的薄板,后者又稱為單三角級數(shù)解,適用于兩對邊簡支邊界條件的薄板,而本文中砂箱薄板的邊界條件較為復雜,很難推導出理論解,所以采用工程中使用更為廣泛的有限元仿真來分析砂箱的變形、應力等,校核砂箱的強度和剛度。

3.1 砂箱CAE模型建立

根據(jù)實際需求,使用Solidworks軟件建立幾何模型,導入ANSYS中。選用中間帶節(jié)點的四面體單元Solid92,此單元有10個節(jié)點,每個節(jié)點有3個自由度。未選用六面體單元Solid45,是因為該單元在模型結(jié)構(gòu)較為復雜時,劃分不出六面體,單元會被退化成為四面體,計算精度很差。劃分網(wǎng)格時根據(jù)網(wǎng)格尺寸控制網(wǎng)格質(zhì)量[7]。砂箱CAE模型如圖8所示。

圖8 砂箱CAE模型圖

3.2 砂箱靜力學分析

3.2.1 工況分析

因為砂與土的物理特性類似,所以本文應用土力學的知識來計算砂的自重應力以及砂子在加載情況下對砂箱四周產(chǎn)生的土壓力[8]。

土的自重應力可用公式(1)計算:

式中,σcz為天然地面以下z深度土的自重應力(kPa);γ為土的天然重度(k N/m3),試驗用砂為γ＝22 k N/m3;z為土的深度(m),試驗管頂部土深z1＝0.3 m,砂箱底部土深z2＝1.5 m。

計算得:砂對試驗管頂部的自重應力為0.006 6 MPa,對砂箱底部的自重應力為0.033 MPa,液壓加載裝置施加的載荷P為0.073 4 MPa,砂箱底部受到的總壓力強度為0.106 4 MPa。

填土受到均布載荷時靜止土壓力強度可用公式(2)計算:

式中,σ0為土表受到均布載荷q(q＝73.4 k N/m2)時,地面以下z深度土的靜止土壓力強度(kPa);K0為土的側(cè)壓力系數(shù)或靜止土壓力系數(shù),查表對砂子有K0＝0.5。

計算得:砂箱內(nèi)部最高點的土壓力強度為0.036 7 MPa,最低點的土壓力強度為0.053 2 MPa,其他高度的土壓力強度也可用該公式計算。

3.2.2 計算結(jié)果分析

有限元模型在上述載荷作用下,采用ANSYS求解對砂箱進行有限元靜力學分析。得出結(jié)論:結(jié)構(gòu)采用15 mm厚的鋼板時,應力最大值為182 MPa,主要出現(xiàn)在砂箱底部加強筋上的應力集中區(qū)域,其他大部分節(jié)點應力較小,材料屈服極限為235 Mpa,可知砂箱強度滿足要求;變形量最大值為3 mm,主要發(fā)生在砂箱兩側(cè)的中間部分,由于江蘇省特檢院沒有對砂箱變形量提出設(shè)計要求,咨詢該院相關(guān)專家后得知,砂箱尺寸較大,3 mm的變形不會對試驗精度造成任何影響,所以變形量亦滿足要求。砂箱的應力云圖見圖9。

圖9 砂箱應力云圖

4 結(jié)束語

本直埋管抗壓強度與軸向滑動試驗裝置采用以吸砂機配合砂箱平車分工位完成試驗及裝砂卸砂的總體設(shè)計方案,解決了目前國內(nèi)尚沒有能夠完成自動裝卸砂、適合全規(guī)格管徑的直埋管型式試驗設(shè)備的困難。

在Solidworks仿真平臺基礎(chǔ)上,建立了整套試驗裝置的三維模型。應用有限元技術(shù)完成了砂箱的靜態(tài)性能分析,校核了砂箱的強度和剛度,為砂箱的試制提供了理論依據(jù)。

References)

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[7]張富勝,任智銓.直埋熱力管道型式試驗規(guī)范標準的討論[J].石油化工設(shè)備,2012,41(2):59-63.

[8]劉金山,張永生,王善江,等.TSGD2001—2006壓力管道元件制造許可規(guī)則[S].北京:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,2006.

Design of compressive strength and axial sliding performance test device of directly buried steam pipe

Xia Fengming,Liu Ying,Yang Yutu,Ni Xiaoyu
(College of Electronic and Mechanical Engineering,Nanjing Forestry University,Nanjing,210037,China)

Through comprehensive comparison of the structure characteristics of domestic and foreign existing overall compressive strength and axial sliding performance test device of directly buried steam pipe,according to design requirements,the overall design scheme of completing the test and loading and unloading sand in different positions with sand suction machine and sand box flat car is put forward,including the sand box flat car,the push and tensile testing machine,the hydraulic loading device,the sand suction system and the job ladder five parts.Solidworks is used in 3D drawing of the device and their components,and AutoCAD is used to transform it into two-dimensional engineering drawings.ANSYS is used in the static analysis of the sand box to check the strength and stiffness.

test device;directly buried steam pipe;structure design;finite element analysis

TU995.3

A

1002-4956(2015)4-0115-04

2014-11-07

國家質(zhì)檢總局科技項目(2013zjjg056);江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院項目(蘇特檢(2012)協(xié)字第660號)

夏鳳鳴(1990—),男,江蘇淮安,碩士研究生,研究方向為機電一體化

E-mail:xiafengming_1＠163.com

劉英(1965—),女,福建建甌,教授,博士生導師,研究方向為機電一體化.