直埋管抗压强度与轴向滑动试验装置设计

夏凤鸣,刘 英,杨雨图,倪晓宇

(南京林业大学机械电子工程学院,江苏南京 210037)

直埋管抗压强度与轴向滑动试验装置设计

夏凤鸣,刘 英,杨雨图,倪晓宇

(南京林业大学机械电子工程学院,江苏南京 210037)

通过综合比较国内外现有直埋管抗压强度与轴向滑动试验装置结构特点,根据设计要求,提出了以吸砂机配合砂箱平车分工位完成试验与装砂卸砂的总体设计方案,该装置包括砂箱平车、推拉力试验机、液压加载装置、吸砂系统以及工作梯5个部分。应用三维虚拟建模技术设计砂箱平车、推拉力试验机等机械结构。在虚拟建模基础上,完成砂箱的静态性能分析,校核砂箱的强度和刚度。

试验装置;直埋管;结构设计;有限元分析

在工业生产和人民生活中使用着大量的蒸气、热水及其他各种热媒,而这些热媒必须采用某种敷设方式的管道输送至用户,直埋管道系统因具有工程造价低、热损失小、节约能源、防腐、绝缘性能好、使用寿命长等突出优点而得到了广泛的应用[1-3]。由于直埋管输送的蒸气、热水具有高温、高压的性质,管内温度高达几百度,压力高达十几个大气压,因此要求管线直埋管内的芯管能够在热胀冷缩时可靠移动,并通过管内的补偿器实现轴向位置补偿,否则会引起管线失效[4-6]。

总体抗压强度和轴向滑动性能试验主要用来检测直埋管在受到一定压力的情况下内管的滑动性能,国内主要型式的试验机构都把总体抗压强度和轴向滑动性能试验作为直埋管型式试验的主要项目[7]。但是目前国内尚没有能够完成自动装卸砂、适合全规格管径、具有对中装置的直埋管型式试验设备,为此本文设计了直埋管抗压强度与轴向滑动试验装置。该试验装置既能用于本科教学、教师科研,又能作为江苏省特种设备安全监督检验研究院的型式试验装置。

1 试验用砂箱模拟装置

该试验采用砂箱模拟直埋管埋在地下的工作环境(见图1),在砂箱上配备刚性压板,以便施加载荷图中G是压板对砂施加的均匀载荷,D是试件内管外径。试验时通过检测往返推动内管所需的力来判断其轴向滑动性能[8]。

图1 砂箱模拟装置结构

2 试验装置结构设计

2.1 试验装置总体结构

本试验装置总体结构见图2,主要包括砂箱平车、推拉力试验机、液压加载装置、吸砂系统以及工作梯。

图2 试验装置的总体结构

2.2 试验装置工作原理

2.2.1 空载试验

如图3所示,首先将砂箱平车移至换管工位,安装好套板与试验管后将砂箱平车移至试验工位,调节推拉力试验机的伸出杆至试验管的中心高度,连接推拉力试验机的伸出杆与试验管内管,开始试验;试验结束后,解除推拉力试验机伸出杆与试验管内管的连接。

为加快推进水利现代化建设，江苏省江阴市水利局根据水利部、江苏省及无锡市水利信息化发展规划，按照统一标准、资源整合、综合利用、科学管理、上下衔接、有序推进的原则，以水利业务管理职能为依据，以应用需求为导向，以现代信息技术为支撑，精心组织编制了《江阴市水利信息化工程建设规划（2012—2015年）》和《江阴市水利信息化一期工程建设可行性研究报告》。2013年4月，经批准后的一期工程完成设施安装、软件开发、系统联调及试运行，5月完成验收鉴定、应用培训、成果启用。

图3 空载试验原理示意图

2.2.2 加载试验

如图4所示,首先将砂箱平车移至装卸砂工位,打开储砂罐阀门,砂子凭借重力自动流入砂箱,装砂量满足试验要求后关闭储砂罐阀门;将砂箱平车移至试验工位,液压加载装置给砂箱加载,调节推拉力试验机的伸出杆至试验管的中心高度,连接推拉力试验机的伸出杆与试验管内管,开始试验;试验结束后,解除推拉力试验机伸出杆与试验管内管的连接,液压加载装置卸载返回,将砂箱平车移至装卸砂工位,工作人员开启吸砂系统,手握吸砂管吸砂。

图4 加载试验工作原理示意图

2.3 砂箱平车设计

本装置适用于全部规格的直埋管试验用,外护管公称规格包括:DN219、273、325、377、426、530、630、720、820、920 mm。砂箱上安装全规格开孔套板、砂箱底部安装行走轮箱的结构,全规格开孔套板保证试验装置适用于全规格直埋管,行走轮箱及其驱动系统保证砂箱平车在钢轨上前后移动。砂箱设计为上方开口的箱体结构,由钢板焊接而成,前后两侧开槽,用于安装开孔套板,槽两侧焊加强筋,以增加箱体强度。开孔套板分上套板与下套板,最大规格DN920的下套板焊接在砂箱上,其他规格的开孔套板都可以安装在DN920的下套板上。砂箱平车结构示意图见图5。

图5 砂箱平车结构示意图

每种规格的开孔套板适用于相应规格的直埋管,不同管径的直埋管试验时只要换上相应规格的开孔套板即可。套板边缘设计为凸台搭肩式,配合挡块和插销,使得套板与砂箱、套板与套板之间的连接极为便利,连接时只需将套板的搭肩靠上凸台,推上两侧的插销便可,极大地缩短了安装试验管的时间。最大规格的下套板直接焊接在砂箱上,其他规格套板在使用时都安装在最大规格的下套板上。开孔套板装配图见图6。

图6 开孔套板装配图

2.4 推拉力试验机设计

推拉力试验机主体结构为X、Y双方向试验空间结构(见图7),X水平方向为负荷试验部分,电机位于右端,左端为主轴加载端并连接负荷传感器,可完成拉伸、压缩试验,电机通过同步齿型带驱动精密丝杠副旋转,从而实现移动横梁水平方向的前后移动,对试样进行加载;Y垂直方向为试验空间调节部分,以适应不同管径试验夹套管中心位置的变化,电机通过同步齿型带驱动精密丝杠副旋转,实现水平负荷试验部分垂直上下移动调节。

图7 推拉力试验机结构示意图

3 砂箱强度与刚度校核

砂箱钢板属于薄板,原则上可以使用板壳力学中的薄板弯曲理论来计算,但是查阅资料后发现,薄板弯曲问题常用的理论解法有两种:纳维埃(Navier)解与李维(Lévy)解,前者又称为双三角级数解,适用于四边简支边界条件的薄板,后者又称为单三角级数解,适用于两对边简支边界条件的薄板,而本文中砂箱薄板的边界条件较为复杂,很难推导出理论解,所以采用工程中使用更为广泛的有限元仿真来分析砂箱的变形、应力等,校核砂箱的强度和刚度。

3.1 砂箱CAE模型建立

根据实际需求,使用Solidworks软件建立几何模型,导入ANSYS中。选用中间带节点的四面体单元Solid92,此单元有10个节点,每个节点有3个自由度。未选用六面体单元Solid45,是因为该单元在模型结构较为复杂时,划分不出六面体,单元会被退化成为四面体,计算精度很差。划分网格时根据网格尺寸控制网格质量[7]。砂箱CAE模型如图8所示。

图8 砂箱CAE模型图

3.2 砂箱静力学分析

3.2.1 工况分析

因为砂与土的物理特性类似,所以本文应用土力学的知识来计算砂的自重应力以及砂子在加载情况下对砂箱四周产生的土压力[8]。

土的自重应力可用公式(1)计算:

式中,σcz为天然地面以下z深度土的自重应力(kPa);γ为土的天然重度(k N/m3),试验用砂为γ＝22 k N/m3;z为土的深度(m),试验管顶部土深z1＝0.3 m,砂箱底部土深z2＝1.5 m。

计算得:砂对试验管顶部的自重应力为0.006 6 MPa,对砂箱底部的自重应力为0.033 MPa,液压加载装置施加的载荷P为0.073 4 MPa,砂箱底部受到的总压力强度为0.106 4 MPa。

填土受到均布载荷时静止土压力强度可用公式(2)计算:

式中,σ0为土表受到均布载荷q(q＝73.4 k N/m2)时,地面以下z深度土的静止土压力强度(kPa);K0为土的侧压力系数或静止土压力系数,查表对砂子有K0＝0.5。

计算得:砂箱内部最高点的土压力强度为0.036 7 MPa,最低点的土压力强度为0.053 2 MPa,其他高度的土压力强度也可用该公式计算。

3.2.2 计算结果分析

有限元模型在上述载荷作用下,采用ANSYS求解对砂箱进行有限元静力学分析。得出结论:结构采用15 mm厚的钢板时,应力最大值为182 MPa,主要出现在砂箱底部加强筋上的应力集中区域,其他大部分节点应力较小,材料屈服极限为235 Mpa,可知砂箱强度满足要求;变形量最大值为3 mm,主要发生在砂箱两侧的中间部分,由于江苏省特检院没有对砂箱变形量提出设计要求,咨询该院相关专家后得知,砂箱尺寸较大,3 mm的变形不会对试验精度造成任何影响,所以变形量亦满足要求。砂箱的应力云图见图9。

图9 砂箱应力云图

4 结束语

本直埋管抗压强度与轴向滑动试验装置采用以吸砂机配合砂箱平车分工位完成试验及装砂卸砂的总体设计方案,解决了目前国内尚没有能够完成自动装卸砂、适合全规格管径的直埋管型式试验设备的困难。

在Solidworks仿真平台基础上,建立了整套试验装置的三维模型。应用有限元技术完成了砂箱的静态性能分析,校核了砂箱的强度和刚度,为砂箱的试制提供了理论依据。

References)

[1]崔学梅.内阻式供热直埋保温管热工模拟与仿真[D].太原:太原理工大学,2006.

[2]袁娜.热水管道直埋敷设研究[D].长安:西北大学,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,刘俊松,刘炳南.高温蒸汽直埋管设计技术综述[J].中国科技信息,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]张富胜,任智铨.直埋热力管道型式试验规范标准的讨论[J].石油化工设备,2012,41(2):59-63.

[8]刘金山,张永生,王善江,等.TSGD2001—2006压力管道元件制造许可规则[S].北京:国家质量监督检验检疫总局,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

国家质检总局科技项目(2013zjjg056);江苏省特种设备安全监督检验研究院项目(苏特检(2012)协字第660号)

夏凤鸣(1990—),男,江苏淮安,硕士研究生,研究方向为机电一体化

E-mail:xiafengming_1＠163.com

刘英(1965—),女,福建建瓯,教授,博士生导师,研究方向为机电一体化.