高壓管道溝槽式卡箍的結(jié)構(gòu)分析

滕 達(dá)，王 瑞，孔凱鵬

(河南能源化工集團(tuán) 重型裝備有限公司，河南 開封 475000)

隨著智能化、高產(chǎn)高效綜采工作面的推廣，遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)能夠提高高壓介質(zhì)輸送的安全性，減少回采順槽內(nèi)的設(shè)備配置，相比傳統(tǒng)的高壓膠管，溝槽卡箍式鋼制管路連接結(jié)構(gòu)的推廣和應(yīng)用能夠降低遠(yuǎn)程供液壓力的損失及使用成本。

1 整體結(jié)構(gòu)

常用管路管道采用法蘭式端面密封結(jié)構(gòu)，金屬材質(zhì)密封圈，根據(jù)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(jié)構(gòu)型式，體積較小的溝槽式卡箍連接結(jié)構(gòu)，密封采用C型環(huán)形密封、單側(cè)雙卡槽的結(jié)構(gòu)。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(dāng)管道內(nèi)充滿液體時，液體進(jìn)入C型腔內(nèi)，壓力作用于密封內(nèi)側(cè)，使外側(cè)緊貼卡箍和管道外側(cè)端面，形成三次密封。安裝時，卡箍兩端嵌入管道機(jī)加工形成的溝槽，卡箍兩側(cè)4條8.8級高強(qiáng)螺栓緊固即完成安裝，具體結(jié)構(gòu)見圖1.

1—溝槽式卡箍 2—管道 3—高強(qiáng)螺栓 4—C型密封圈

2 材料選用

目前，遠(yuǎn)程供液多選用d63/76的卡箍式高壓膠管作為進(jìn)回液膠管，對應(yīng)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(jìn)回液鋼管。

卡箍的外形結(jié)構(gòu)不規(guī)則，選用鑄造件。球磨鑄鐵組織結(jié)構(gòu)連續(xù)，相對應(yīng)力集中小，力學(xué)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(diǎn)。

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

表1 管道結(jié)構(gòu)件選用材料性能表

3 溝槽管路件的靜應(yīng)力分析

利用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

3.1 接觸設(shè)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(shù)設(shè)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(shù)設(shè)置為0.15.卡箍凸臺與管道凹槽處設(shè)置為接合接觸。

3.2 載荷和邊界條件

遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)中乳化液泵站泵壓選用31.5 MPa，實(shí)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(yuǎn)程供液系統(tǒng)壓力降，遠(yuǎn)程供液系統(tǒng)泵站壓力選用37.5 MPa，靜應(yīng)力分析中管道環(huán)境設(shè)計(jì)壓力選用值為40 MPa.

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

承壓試驗(yàn)時，管道兩側(cè)進(jìn)行盲板密封，并進(jìn)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(yīng)力結(jié)果分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，選用第三強(qiáng)度理論對管道結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)果見圖3.

圖3 60 MPa壓力下管道應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力位置圖

根據(jù)應(yīng)力云圖顯示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在管道溝槽處，且在對半卡箍對稱面位置，應(yīng)力值為656 MPa，管道屈服應(yīng)力為835 MPa，滿足1.5倍設(shè)計(jì)使用壓力的強(qiáng)度要求。

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

圖4 60 MPa壓力下溝槽卡箍應(yīng)力云圖及最大應(yīng)力位置圖

根據(jù)卡箍應(yīng)力云圖顯示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在對半卡箍接觸面位置的卡槽凸臺處，應(yīng)力值為492.7 MPa，卡箍屈服強(qiáng)度為600 MPa，滿足1.5倍設(shè)計(jì)使用壓力的強(qiáng)度要求。

4 溝槽管路件的疲勞應(yīng)力分析

綜采工作面液壓支架在采煤機(jī)割煤后進(jìn)行拉架，拉架到位后升立柱，進(jìn)行頂板支護(hù)，支架立柱下腔壓力達(dá)到額定泵壓，支架才能達(dá)到初撐力，這里取設(shè)計(jì)使用壓力40 MPa作為加載應(yīng)力，支架升柱接頂后，不再動作，乳化液泵恢復(fù)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(jìn)，反復(fù)支撐頂板，使管道壓力達(dá)到設(shè)計(jì)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(xiàn)疲勞應(yīng)力，有必要進(jìn)行疲勞應(yīng)力分析。

4.1 40 MPa壓力下的管路件的應(yīng)力值

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

圖5 卡箍結(jié)構(gòu)處應(yīng)力云圖及最大應(yīng)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(jì)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(guān)系式：

σ-1=38 MPa+0.43σb

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

2)QT900-2球磨鑄鐵的疲勞極限值。

根據(jù)《抗疲勞設(shè)計(jì)手冊》中表2.2“常用國產(chǎn)機(jī)械工程材料的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限和疲勞比”數(shù)據(jù)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(qiáng)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(jù)手冊計(jì)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(yīng)力分析值，具備抗疲勞應(yīng)力強(qiáng)、安全系數(shù)高的力學(xué)性能。

5 結(jié) 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(hù)和拆卸。通過分析證明，應(yīng)力集中位置位于卡箍內(nèi)側(cè)尖角位置和相對應(yīng)管道加工槽底面。溝槽式卡箍連接結(jié)構(gòu)能夠滿足高壓遠(yuǎn)距離供液系統(tǒng)的使用，具有高可靠性。實(shí)際生產(chǎn)加工過程中，做好原材料規(guī)格檢驗(yàn)，避免出現(xiàn)原材料厚壁超差和加工尺寸超差，降低管道使用壽命。