直埋管抗壓強度與軸向滑動試驗裝置設計

夏鳳鳴,劉 英,楊雨圖,倪曉宇

(南京林業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計

夏鳳鳴,劉 英,楊雨圖,倪曉宇

(南京林業大學機械電子工程學院,江蘇南京 210037)

通過綜合比較國內外現有直埋管抗壓強度與軸向滑動試驗裝置結構特點,根據設計要求,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、吸砂系統以及工作梯5個部分。應用三維虛擬建模技術設計砂箱平車、推拉力試驗機等機械結構。在虛擬建模基礎上,完成砂箱的靜態性能分析,校核砂箱的強度和剛度。

試驗裝置;直埋管;結構設計;有限元分析

在工業生產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方式的管道輸送至用戶,直埋管道系統因具有工程造價低、熱損失小、節約能源、防腐、絕緣性能好、使用壽命長等突出優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,管內溫度高達幾百度,壓力高達十幾個大氣壓,因此要求管線直埋管內的芯管能夠在熱脹冷縮時可靠移動,并通過管內的補償器實現軸向位置補償,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管的滑動性能,國內主要型式的試驗機構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]。但是目前國內尚沒有能夠完成自動裝卸砂、適合全規格管徑、具有對中裝置的直埋管型式試驗設備,為此本文設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備安全監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是試件內管外徑。試驗時通過檢測往返推動內管所需的力來判斷其軸向滑動性能[8]。

圖1 砂箱模擬裝置結構

2 試驗裝置結構設計

2.1 試驗裝置總體結構

本試驗裝置總體結構見圖2,主要包括砂箱平車、推拉力試驗機、液壓加載裝置、吸砂系統以及工作梯。

圖2 試驗裝置的總體結構

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,調節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管,開始試驗;試驗結束后,解除推拉力試驗機伸出桿與試驗管內管的連接。

為加快推進水利現代化建設，江蘇省江陰市水利局根據水利部、江蘇省及無錫市水利信息化發展規劃，按照統一標準、資源整合、綜合利用、科學管理、上下銜接、有序推進的原則，以水利業務管理職能為依據，以應用需求為導向，以現代信息技術為支撐，精心組織編制了《江陰市水利信息化工程建設規劃（2012—2015年）》和《江陰市水利信息化一期工程建設可行性研究報告》。2013年4月，經批準后的一期工程完成設施安裝、軟件開發、系統聯調及試運行，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,調節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管,開始試驗;試驗結束后,解除推拉力試驗機伸出桿與試驗管內管的連接,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,手握吸砂管吸砂。

圖4 加載試驗工作原理示意圖

2.3 砂箱平車設計

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

圖5 砂箱平車結構示意圖

每種規格的開孔套板適用于相應規格的直埋管,不同管徑的直埋管試驗時只要換上相應規格的開孔套板即可。套板邊緣設計為凸臺搭肩式,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,推上兩側的插銷便可,極大地縮短了安裝試驗管的時間。最大規格的下套板直接焊接在砂箱上,其他規格套板在使用時都安裝在最大規格的下套板上。開孔套板裝配圖見圖6。

圖6 開孔套板裝配圖

2.4 推拉力試驗機設計

推拉力試驗機主體結構為X、Y雙方向試驗空間結構(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動精密絲杠副旋轉,從而實現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節部分,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動精密絲杠副旋轉,實現水平負荷試驗部分垂直上下移動調節。

圖7 推拉力試驗機結構示意圖

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,但是查閱資料后發現,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。選用中間帶節點的四面體單元Solid92,此單元有10個節點,每個節點有3個自由度。未選用六面體單元Solid45,是因為該單元在模型結構較為復雜時,劃分不出六面體,單元會被退化成為四面體,計算精度很差。劃分網格時根據網格尺寸控制網格質量[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為土的側壓力系數或靜止土壓力系數,查表對砂子有K0＝0.5。

計算得:砂箱內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。得出結論:結構采用15 mm厚的鋼板時,應力最大值為182 MPa,主要出現在砂箱底部加強筋上的應力集中區域,其他大部分節點應力較小,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,主要發生在砂箱兩側的中間部分,由于江蘇省特檢院沒有對砂箱變形量提出設計要求,咨詢該院相關專家后得知,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計方案,解決了目前國內尚沒有能夠完成自動裝卸砂、適合全規格管徑的直埋管型式試驗設備的困難。

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

References)

[1]崔學梅.內阻式供熱直埋保溫管熱工模擬與仿真[D].太原:太原理工大學,2006.

[2]袁娜.熱水管道直埋敷設研究[D].長安:西北大學,2007.

[3]Weidlich,Ingo.Buried district heating pipelines:Soil-pipe interaction of district heating pipes-Suggested framework[J].Euroheat and Power:English Edition,2011,8(3):34-39.

[4]Tol H I,Svendsen S.Improving the dimensioning of piping networks and network layouts in low-energy district heating systems connected to low-energy buildings:A case study in Roskilde,Denmark[J].Heat Transfer Engineering,2011,38(1):276-290.

[5]沈禹,劉俊松,劉炳南.高溫蒸汽直埋管設計技術綜述[J].中國科技信息,2012(10):126-127.

[6]Dalla Rosa Alessandro,Li Hongwei,Svendsen Svend.Modeling transient heat transfer in small-size twin pipes for end-user connections to low-energy district heating networks[J].Heat Transfer Engineering,2013,34(4):372-384.

[7]張富勝,任智銓.直埋熱力管道型式試驗規范標準的討論[J].石油化工設備,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則[S].北京:國家質量監督檢驗檢疫總局,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

國家質檢總局科技項目(2013zjjg056);江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院項目(蘇特檢(2012)協字第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.