陳 飛,葛 云※,戚祝暉,蔡文軍
(1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院, 新疆石河子 832003;2. 石河子開發(fā)區(qū)天浩管業(yè)有限責(zé)任公司, 新疆石河子 832014)
在管道安裝過程中,管道的安裝方式對于管道的安裝效率和使用壽命至關(guān)重要,目前管道常用安裝連接方式有螺紋連接、法蘭連接、焊接、承插連接、卡壓連接、溝槽(卡箍)式連接。用焊接方式連接大口徑鋼管,易出現(xiàn)漏水等問題,且維修不便、成本高;用法蘭連接的方式連接大口徑鋼管,需要在鋼管的連接口處設(shè)置法蘭,設(shè)置法蘭工序繁瑣且不便;而目前通常使用的鋼管承插技術(shù),存在諸多技術(shù)缺陷、安全隱患,在實(shí)際使用中,不能達(dá)到使用效果,不能為生產(chǎn)所用。球形單膠圈的技術(shù)缺陷為密封膠圈不能圍定,在安裝過程中容易造成不均勻的滾動(dòng)位移,安裝質(zhì)量、密封性能不能控制,球面預(yù)緊壓縮膠圈不能適應(yīng)管道和輸送介質(zhì)隨溫度的高低而變化,使承口、插口產(chǎn)生伸縮、位移而造成承插連接口泄漏及失效,不能實(shí)現(xiàn)安裝過程中單口試驗(yàn)檢驗(yàn)安裝質(zhì)量,不能適應(yīng)地址地形沉降的變化、地震等諸多實(shí)際存在的環(huán)境[1-3]。
國外從20世紀(jì)50年代起,膠圈柔性接口就在輸水鋼管上開始應(yīng)用,管線品質(zhì)由此有所提高;70年代后,因人工費(fèi)用的上升,膠圈柔性接口已成為國外輸水鋼管連接的主流技術(shù)。這種接口膠圈置于插口上的深槽內(nèi),安裝較方便,有自對中特性;安裝時(shí)膠圈隨槽進(jìn)入承口,適應(yīng)不均勻沉降的能力較混凝土壓力管的滾入式接口高;柔性接口應(yīng)用,一方面消滅了現(xiàn)場焊縫,使管線不再有不良焊縫,另一方面又改變管線的受力模式,可以釋放縱向彎曲應(yīng)力、伸縮應(yīng)力,使管線的斷裂作用消失,柔性接口從消除隱患和提高管線強(qiáng)度特性二個(gè)方面提升了管線的安全性。
綜上所述[4-7],國外已經(jīng)開發(fā)承插管柔性連接并取得一些成果,國內(nèi)也研究柔性管道的連接,但目前螺旋焊管和承插方式的結(jié)合品未見相關(guān)研究。為此,本文研制了一種結(jié)構(gòu)巧妙、使用方便的基于雙膠圈技術(shù)的管道連接方式,即承插管。承插管結(jié)構(gòu)如圖1所示,以滿足不同安裝使用場合角度調(diào)整以及軸向活動(dòng)調(diào)節(jié)。其中承頭和插頭的設(shè)計(jì)對于能否正常連接起到關(guān)鍵作用,吊耳的強(qiáng)度和設(shè)計(jì)合理性對管道的快速安裝具有重要的意義。
本文對承插管參數(shù)及關(guān)鍵部件包括承頭、插頭和吊耳進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì),應(yīng)用Solidworks三維建模軟件建立承插管三維虛擬模型,模擬實(shí)際運(yùn)輸和移動(dòng)過程中承插管受力情況,運(yùn)用Solidworks Smiulation 模塊設(shè)定承插管結(jié)構(gòu)參數(shù)對承插管進(jìn)行應(yīng)力分析,保證承插管的強(qiáng)度達(dá)到安裝過程的使用要求。
本文所設(shè)計(jì)的承插管主要由承插頭、吊耳和管身3 個(gè)部分組成,承插管具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 承插管結(jié)構(gòu)
安裝作業(yè)時(shí)為如下過程:(1)啟動(dòng)承插管移動(dòng)設(shè)備,通過連接設(shè)備與承插管上兩側(cè)吊耳進(jìn)行連接固定;(2)移動(dòng)設(shè)備運(yùn)行,將承插管從放置點(diǎn)移動(dòng)至安裝位置;(3)調(diào)整承插管連接處安裝位置,在承插管插頭端密封膠圈槽中依次放入密封膠圈;(4)然后在連接另一承插管的承口端,完成安裝作業(yè);(5)使用加壓設(shè)備進(jìn)行加壓測試,測試完成后進(jìn)行下一安裝作業(yè)。
根據(jù)給水排水工程埋地承插式柔性接口鋼管管道標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)程和SY/T5037-2000,考慮承插管的實(shí)際使用要求及工作環(huán)境,選擇承插管參數(shù)為φ630 mm×1200 mm×6 mm,其中承插管長度L=1200 mm,承插管直徑D=630 mm,承插管管壁厚度B=6 mm。
運(yùn)用Solidworks三維建模軟件建立了承插管的三維虛擬模型,如圖2(a)所示。實(shí)際生產(chǎn)的承插管如圖2(b)所示。
承插口是承插管之間連接的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部位,承插口設(shè)計(jì)決定了承插管在實(shí)際使用過程能否在各種環(huán)境下安全運(yùn)行,因此對承頭和插頭參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,承頭結(jié)構(gòu)和插頭結(jié)構(gòu)和如圖2(c)~(d)所示。承頭是一種類喇叭口設(shè)計(jì),在承插管的一端,另一端就是插頭,插頭上設(shè)計(jì)有2 個(gè)密封槽,其設(shè)計(jì)保證了承插管的密閉性,同時(shí)也給承插管一定的活動(dòng)空間,適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境,承插口連接結(jié)構(gòu)如圖2(e)所示,承頭與插頭通過密封圈進(jìn)行連接,這種設(shè)計(jì)無需將承頭和插頭進(jìn)行剛性連接,方便安裝和更換,同時(shí)也提高了使用壽命。
圖2 承插管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
承插管內(nèi)徑A=618 mm,則承頭內(nèi)徑E計(jì)算公式:
式中:A為承插管內(nèi)徑,mm;B為承插管管壁厚度,mm;a為承插管承頭高度,mm。
承頭內(nèi)徑E=635 mm,插頭外徑F=634.8 mm,則承插管插頭外徑F計(jì)算公式:
式中:s為承插管間隙,mm。
為了方便承插管的移動(dòng)、運(yùn)輸和安裝,并使承插管在吊裝過程受力達(dá)到平衡,在承插管兩側(cè)設(shè)置吊耳,吊耳承受了承插管的全部重量,為保證承插管運(yùn)行平穩(wěn),吊耳結(jié)構(gòu)中心對稱分布,保證其穩(wěn)定性和受力均衡,如圖2(f)所示。
如圖3 所示,承插管從生產(chǎn)制造、運(yùn)輸和安裝等多個(gè)環(huán)節(jié)中,需使用各種所需設(shè)備進(jìn)行相關(guān)作業(yè),尤其在運(yùn)輸和安裝等過程中,需使用吊車和加壓等移動(dòng)承插管和測試壓力等參數(shù),為保證承插管的強(qiáng)度,對承插管應(yīng)力分布進(jìn)行仿真分析。
圖3 承插管吊裝現(xiàn)場
對承插管模型進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分,以滿足應(yīng)力分析的需要,劃分時(shí)根據(jù)不同部位選擇不同的網(wǎng)格大小,在承頭、插頭、吊耳等應(yīng)力集中部位使用較小的網(wǎng)格尺寸0.5 mm,在其他部位選擇常規(guī)網(wǎng)格尺寸為5 mm,在保證應(yīng)力分析結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下,盡量減少計(jì)算難度,劃分網(wǎng)格情況如圖4(a)所示。
運(yùn)行Solidworks Smiulation 模塊進(jìn)行模型邊界條件設(shè)定和求解, 根據(jù)承插管力學(xué)性能要求, 選用承插管材料為Q235B,模擬實(shí)際安裝過程承插管應(yīng)力分布情況。
承插管重力G計(jì)算公式:
式中:L為承插管規(guī)定長度,m;C為承插管單位米質(zhì)量,kg/m。
查詢焊管理論重量表獲得承插管直徑D=630 mm,所對應(yīng)的承插管單位米質(zhì)量C=92.83 kg/m,計(jì)算得到承插管重力G=11139.6 N。
根據(jù)承插管的重力G添加載荷及約束,使模擬情況與實(shí)際情況一致,獲得有效的承插管應(yīng)力分析數(shù)據(jù),驗(yàn)證承插管設(shè)計(jì)的可行性。承插管應(yīng)力分析如圖4(b)所示。
圖4 承插管應(yīng)力分析
從承插管應(yīng)力分析圖可以看出,承插管主要應(yīng)力分布在吊耳周圍,吊耳及吊耳周圍受力明顯大于其他部位,與實(shí)際受力分布情況一致,根據(jù)吊耳的設(shè)計(jì)參數(shù)可知,承插管兩端吊耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足實(shí)際運(yùn)輸和操作安裝過程的工作要求。
本文對管道現(xiàn)有連接方式進(jìn)行了研究,設(shè)計(jì)了一種承插管,即一種新的螺旋焊管連接方式,對承插管進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括承頭、插頭和吊耳結(jié)構(gòu)參數(shù),并使用Solidworks三維建模軟件對承插管進(jìn)行虛擬模型建立,運(yùn)用Solidworks Smiulation模塊設(shè)定承插管結(jié)構(gòu)參數(shù),根據(jù)實(shí)際受力情況施加受力,并進(jìn)行模擬應(yīng)力分析。結(jié)果顯示,承插管總體結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)鍵部件參數(shù)滿足實(shí)際運(yùn)輸、安全安裝和運(yùn)行要求,得到了較為合理的承插管設(shè)計(jì)參數(shù)。承插管可實(shí)現(xiàn)螺旋焊管和承插的結(jié)合,使施工過程的人力投入大大減少,擺脫了焊接帶來的不便,同時(shí)由于自動(dòng)化安裝輔助設(shè)備的研發(fā),使安裝定位對準(zhǔn)有了很大的提高,提高了連接的可靠性,減少了安裝過程中的人力投入,降低了施工成本,降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。承插管參數(shù)的合理設(shè)計(jì)布置對于承插管的安裝及安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,管道應(yīng)力分析是保證管道安全安裝的一種重要方法。