高壓管道溝槽式卡箍的結構分析

滕 達，王 瑞，孔凱鵬

(河南能源化工集團 重型裝備有限公司，河南 開封 475000)

隨著智能化、高產高效綜采工作面的推廣，遠程供液系統的應用越來越廣泛，遠程供液系統能夠提高高壓介質輸送的安全性，減少回采順槽內的設備配置，相比傳統的高壓膠管，溝槽卡箍式鋼制管路連接結構的推廣和應用能夠降低遠程供液壓力的損失及使用成本。

1 整體結構

常用管路管道采用法蘭式端面密封結構，金屬材質密封圈，根據GB/T9115.2-2010《對焊鋼制管法蘭》的規(guī)定,最高40 MPa壓力條件下，公稱尺寸DN80鋼制法蘭外徑305 mm，尺寸較大，受井下條件約束，安裝困難。

借鑒CJ/T156-2001《溝槽式管接頭》的結構型式，體積較小的溝槽式卡箍連接結構，密封采用C型環(huán)形密封、單側雙卡槽的結構。密封圈的截面形狀為“C”型，和管道接觸面依托彈性變形形成初次密封；利用螺栓螺母把卡箍固定后，卡箍壓緊密封圈形成二次密封；當管道內充滿液體時，液體進入C型腔內，壓力作用于密封內側，使外側緊貼卡箍和管道外側端面，形成三次密封。安裝時，卡箍兩端嵌入管道機加工形成的溝槽，卡箍兩側4條8.8級高強螺栓緊固即完成安裝，具體結構見圖1.

1—溝槽式卡箍 2—管道 3—高強螺栓 4—C型密封圈

2 材料選用

目前，遠程供液多選用d63/76的卡箍式高壓膠管作為進回液膠管，對應GB/T 17395-2008《無縫鋼管尺寸、外形、重量及允許偏差》的常用規(guī)格型號，管路規(guī)格選用外徑為89 mm的無縫鋼管作為進回液鋼管。

卡箍的外形結構不規(guī)則，選用鑄造件。球磨鑄鐵組織結構連續(xù)，相對應力集中小，力學性能較好，具備耐磨、吸振、低缺口敏感性和切削加工性能好的優(yōu)點。

管道選用27SiMn材質，規(guī)格d89 mm×7 mm;卡箍選用球磨鑄鐵材質，牌號為QT900-2，具體力學性能見表1.

表1 管道結構件選用材料性能表

3 溝槽管路件的靜應力分析

利用SOLIDWORKS軟件進行三維建模，并進行靜應力分析。

3.1 接觸設置

螺栓接觸：螺母、螺栓根部表面與溝槽卡箍表面的接觸定義為摩擦接觸，摩擦系數設置為0.15，螺栓桿體與溝槽卡箍固定孔選用無穿透無摩擦接觸。

卡箍接觸：兩卡箍接觸面選擇摩擦接觸，摩擦系數設置為0.15.卡箍凸臺與管道凹槽處設置為接合接觸。

3.2 載荷和邊界條件

遠距離供液系統中乳化液泵站泵壓選用31.5 MPa，實際1 500 m回采工作面的壓力壓降在3 MPa，考慮到大傾角綜采工作面遠程供液系統壓力降，遠程供液系統泵站壓力選用37.5 MPa，靜應力分析中管道環(huán)境設計壓力選用值為40 MPa.

根據GB/T 20801.5-2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道第5部分：檢驗與試驗》中的規(guī)定，試驗壓力選用1.5倍的設計使用壓力，定為60 MPa.

承壓試驗時，管道兩側進行盲板密封，并進行固定，限制管道件的軸向位移。

位移邊界條件和載荷見圖2.

圖2 位移邊界條件及載荷圖

3.3 應力結果分析

根據標準要求，選用第三強度理論對管道結構進行應力分析，分析結果見圖3.

圖3 60 MPa壓力下管道應力云圖及最大應力位置圖

根據應力云圖顯示，最大應力出現在管道溝槽處，且在對半卡箍對稱面位置，應力值為656 MPa，管道屈服應力為835 MPa，滿足1.5倍設計使用壓力的強度要求。

卡箍在壓力加載過程中，內壁受到壓力，卡槽處受到管道膨脹的擠壓應力，具體應力顯示見圖4.

圖4 60 MPa壓力下溝槽卡箍應力云圖及最大應力位置圖

根據卡箍應力云圖顯示，最大應力出現在對半卡箍接觸面位置的卡槽凸臺處，應力值為492.7 MPa，卡箍屈服強度為600 MPa，滿足1.5倍設計使用壓力的強度要求。

4 溝槽管路件的疲勞應力分析

綜采工作面液壓支架在采煤機割煤后進行拉架，拉架到位后升立柱，進行頂板支護，支架立柱下腔壓力達到額定泵壓，支架才能達到初撐力，這里取設計使用壓力40 MPa作為加載應力，支架升柱接頂后，不再動作，乳化液泵恢復初始供液壓力，這里簡化供液管道壓力為0.綜采工作面支架隨著工作面的循環(huán)推進，反復支撐頂板，使管道壓力達到設計使用壓力40 MPa，管道處于頻繁的加載和卸載壓力循環(huán)過程中，造成出現疲勞應力，有必要進行疲勞應力分析。

4.1 40 MPa壓力下的管路件的應力值

利用管路件三維模型進行40 MPa壓力加載，得出管道件最大應力為437 MPa，溝槽卡箍的最大應力為329 MPa，具體應力位置見圖5.

圖5 卡箍結構處應力云圖及最大應力位置圖

4.2 材料疲勞極限值

1)27SiMn的疲勞極限值。

碳鋼和合金鋼的對稱彎曲疲勞極限σ-1一般可以用下面型式的近似公式計算：

σ-1=a+bσb

對σb<1 400 MPa的碳鋼和合金鋼，推薦使用如下的關系式：

σ-1=38 MPa+0.43σb

根據表1，27SiMn的極限抗拉強度取980 MPa，帶入上式得出交變載荷下材料的疲勞極限強度為459.4 MPa.

2)QT900-2球磨鑄鐵的疲勞極限值。

根據《抗疲勞設計手冊》中表2.2“常用國產機械工程材料的旋轉彎曲疲勞極限和疲勞比”數據可以查出，QT800-2球磨鑄鐵的疲勞極限(N=107周次)為352 MPa，疲勞比為0.42.隨著抗拉強度的提高，疲勞極限值也會提高，說明QT900-2的疲勞極限值不低于QT800-2，即≥352 MPa.

4.3 疲勞分析

根據手冊計算和查找的疲勞極限值，27SiMn和QT900-2球磨鑄鐵的疲勞極限值均大于管路件40 MPa下的應力分析值，具備抗疲勞應力強、安全系數高的力學性能。

5 結 語

溝槽式卡箍及管件的使用，可以簡化安裝步驟，提高安裝效率，同時便于維護和拆卸。通過分析證明，應力集中位置位于卡箍內側尖角位置和相對應管道加工槽底面。溝槽式卡箍連接結構能夠滿足高壓遠距離供液系統的使用，具有高可靠性。實際生產加工過程中，做好原材料規(guī)格檢驗，避免出現原材料厚壁超差和加工尺寸超差，降低管道使用壽命。