聚氨酯直埋保溫管道切向剪切試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

沈 旭 ， 白冬軍

（1.北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所，北京100011； 北京市建設(shè)工程質(zhì)量第四檢測所，北京100011）

0 引言

聚氨酯直埋保溫管的發(fā)展使城鎮(zhèn)供熱管網(wǎng)工效得到明顯提高，熱損失率可有效降低80%，但在實(shí)驗(yàn)室無法對實(shí)際口徑的預(yù)制直埋保溫管道進(jìn)行切向剪切強(qiáng)度的檢測；無法保障施工工藝的完好性；無法保障預(yù)制直埋供熱管網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行等因素，影響了聚氨酯直埋保溫管實(shí)際應(yīng)用[1]。保溫管切向剪切檢測技術(shù)急待突破，整管剪切技術(shù)落后已成為制約預(yù)制直埋保溫管產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸。

本文擬對聚氨酯直埋保溫管結(jié)構(gòu)及特征進(jìn)行分析，從而為聚氨酯直埋保溫管剪切設(shè)備的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 保溫管剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和剪切強(qiáng)度的測定

1.1 聚氨酯密度對切向剪切的影響試驗(yàn)

1.1.1 實(shí)驗(yàn)步驟

儀器設(shè)備選用CMT4204型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，將試樣處于常溫（23±2）℃環(huán)境條件下，通過兩根對稱杠桿，試驗(yàn)裝置按25mm/min的速度連續(xù)施加切向力，直至保溫結(jié)構(gòu)的結(jié)合面破壞分離，如圖1所示，記錄最大切向力值，力—變形曲線。切向力垂直作用于杠桿上，在每一根杠桿上施加的切向力為Ftan/2。

圖1 切向剪切模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

切向剪切強(qiáng)度應(yīng)按式（1）計(jì)算：

式中：τtan—切向剪切強(qiáng)度 （MPa）；Ftan—切向剪切力（N）；L—試樣長度（mm）；a—每一根杠桿的長度（mm）。

1.1.3 剪切試驗(yàn)結(jié)果

使用上述試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法測定，得出聚氨酯試樣密度與工作鋼管切向剪切物理特性參數(shù)如表1所示，得出如圖2所示聚氨酯密度對切向剪切力的影響曲線。

表1 密度、剪切力、剪切強(qiáng)度實(shí)測值

圖2 聚氨酯密度與切向剪切力關(guān)系

1.2 工作鋼管外徑對切向剪切的影響試驗(yàn)

同理，將聚氨酯保溫管按保溫層密度為60～70kg/m3進(jìn)行發(fā)泡，取DN60～DN1400保溫管12組，試樣長度取300mm。按照上述試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法測定，得出工作鋼管外徑與切向剪切物理特性參數(shù)如表2所示，其關(guān)系如圖3所示。

表2 工作鋼管外徑、剪切力、剪切強(qiáng)度實(shí)測值

圖3 工作鋼管外徑與切向剪切力關(guān)系

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與參數(shù)選擇

通過對聚氨酯泡沫保溫材料的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，可以得出聚氨酯泡沫密度越高，剪切力越大且破壞界面在保溫層上；當(dāng)密度為60～70kg/m3切向剪切強(qiáng)度不小于0.08MPa；剪切力隨工作鋼管外徑增大而增大，最大外徑為1400mm時，最大力出現(xiàn)在150kN附近。由于萬能試驗(yàn)機(jī)通常的測量范圍在滿量程的80%以內(nèi)。所以，選取該儀器設(shè)備壓力傳感器量程為200kN。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

本文依據(jù)EN448：2009《用于區(qū)域供熱熱水管網(wǎng) 由工作鋼管、聚氨酯保溫層和高密度聚乙烯外護(hù)管組成的預(yù)制直埋保溫管道接頭》[2]、GB/T29046-2012《城鎮(zhèn)供熱預(yù)制直埋保溫管道技術(shù)指標(biāo)檢測方法》、GB/T 29047-2012《高密度聚乙烯外護(hù)管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管及管件》[3]、EN253：2009《用于區(qū)域供熱熱水管網(wǎng) 由工作鋼管、聚氨酯保溫層和高密度聚乙烯外護(hù)管組成的預(yù)制直埋保溫管》[4]。提供一種結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，檢測成本低，便于常溫（23±2）℃和高溫（140±2）℃動態(tài)條件下測定預(yù)制直埋保溫管道切向剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)裝置。

3 技術(shù)方案

本文設(shè)計(jì)的切向剪切試驗(yàn)裝置，包括套設(shè)在試樣管道外側(cè)的外抱瓦、分別設(shè)置在外抱瓦兩端的夾固裝置和扭力裝置，外抱瓦兩端側(cè)壁上分別沿外抱瓦軸向開設(shè)有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的數(shù)量分別為兩個，相對設(shè)置；夾固裝置包括夾固在試樣管道保溫層外側(cè)的內(nèi)抱瓦和設(shè)置在內(nèi)抱瓦上的第一限位桿，第一限位桿數(shù)量為兩個，沿外抱瓦圓周相對設(shè)置，第一限位桿一端固定在內(nèi)抱瓦外側(cè)壁上，另一端卡固在相應(yīng)的第一凹槽內(nèi)，第一限位桿與內(nèi)抱瓦軸向垂直設(shè)置；扭力裝置包括卡固在第二凹槽內(nèi)的第二限位桿和設(shè)置在第二限位桿上的連接件，第二限位桿與外抱瓦軸向垂直設(shè)置，連接件另一端與扭矩扳手連接，如圖4、圖5所示。

圖4 測定預(yù)制直埋保溫管道切向剪切強(qiáng)度的使用狀態(tài)主視圖

圖5 測定預(yù)制直埋保溫管道切向剪切強(qiáng)度的使用狀態(tài)俯視圖

動力裝置設(shè)計(jì)。傳動原理：伺服電機(jī)→傳動系統(tǒng)→滾珠絲杠→試樣，如圖6所示。

圖6 動力裝置傳動原理

該剪切裝置工作環(huán)境溫度不超過40℃，相對濕度不超過RH95%，為一般用途機(jī)械，根據(jù)工作和電源條件，選用Y系列三相異步電動機(jī)。取最大試驗(yàn)力200kN，移動最大速度 50mm/min，效率：η帶=0.96，η聯(lián)=0.98，η減=0.95，η絲杠=0.95，由式（2）、（3）可得[5]：Pw=1.204kW，Pd=1.368kW 電機(jī)應(yīng)選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，4極Y系列三相異步電動機(jī)，本裝置考慮采用微機(jī)控制，故選用安川伺服電機(jī)（1.3kW）：額定輸出1.3kW，電源電壓 220v，串行編碼器 24位增量型，軸端帶鍵槽、帶螺孔，SGM7G-13AFC61；安川伺服驅(qū)動器（1.5kW）：Σ-7系列伺服單元Σ-7S型，最大適用電機(jī)容量1.5kW，SGD7S-120A00A002。

式中：Pw—工作機(jī)所需功率（kW）；F—工作機(jī)的阻力（N）；v—工作機(jī)的線速度（m/s）；ηw—工作機(jī)的效率。

式中：Pd—工作機(jī)實(shí)際需要的電動機(jī)輸出功率（kW）；Pw—工作機(jī)所需輸入功率 （kW）；η—電動機(jī)至工作機(jī)之間傳動裝置的總效率。

依據(jù)EN448：2009《用于區(qū)域供熱熱水管網(wǎng) 由工作鋼管、聚氨酯保溫層和高密度聚乙烯外護(hù)管組成的預(yù)制直埋保溫管道接頭》、GB/T 29047-2012《高密度聚乙烯外護(hù)管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管及管件》、EN253：2009《用于區(qū)域供熱熱水管網(wǎng) 由工作鋼管、聚氨酯保溫層和高密度聚乙烯外護(hù)管組成的預(yù)制直埋保溫管》、GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第一部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T9711-2011《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管》的標(biāo)準(zhǔn)對樣機(jī)主要部件力學(xué)性能、彎曲性能進(jìn)行檢測，其檢測結(jié)果均滿足強(qiáng)度要求，能夠完成剪切任務(wù)。經(jīng)樣機(jī)、萬能試驗(yàn)機(jī)不同設(shè)備所做的剪切強(qiáng)度比對試驗(yàn)，實(shí)測值誤差在5%以內(nèi)，合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

本文通過扭轉(zhuǎn)外抱瓦另一端連接的扭矩扳手，即可實(shí)現(xiàn)切向剪切強(qiáng)度的測試，操作便捷，裝夾精度高，測試結(jié)果準(zhǔn)確率高；適用于室溫（23±2）℃和高溫（140±2）℃試樣的切向剪切強(qiáng)度的試驗(yàn)，不受試樣本身?xiàng)l件的限制，使用范圍更廣泛，當(dāng)工作鋼管外徑不大于DN800時，測力裝置改用相應(yīng)量程的扭矩扳手，便于移動，檢測速度快，檢測成本低，可廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的檢測。