承插管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析*

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(kāi)發(fā)區(qū)天浩管業(yè)有限責(zé)任公司， 新疆石河子 832014）

0 引言

在管道安裝過(guò)程中，管道的安裝方式對(duì)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guó)外從20世紀(jì)50年代起，膠圈柔性接口就在輸水鋼管上開(kāi)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(guó)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(duì)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(chǎng)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(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)承插管柔性連接并取得一些成果，國(guó)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(jiàn)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(chǎng)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(duì)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(duì)管道的快速安裝具有重要的意義。

本文對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)程的使用要求。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

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(guò)程：（1）啟動(dòng)承插管移動(dòng)設(shè)備，通過(guò)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(cè)試，測(cè)試完成后進(jìn)行下一安裝作業(yè)。

2 承插管設(shè)計(jì)

2.1 承插管尺寸

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(zhǎng)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。

2.2 承插口及吊耳

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(guò)程能否在各種環(huán)境下安全運(yùn)行，因此對(duì)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(guò)密封圈進(jìn)行連接，這種設(shè)計(jì)無(wú)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(guò)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(duì)稱分布，保證其穩(wěn)定性和受力均衡，如圖2（f）所示。

2.2 承插管應(yīng)力分析

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(guò)程中，需使用吊車和加壓等移動(dòng)承插管和測(cè)試壓力等參數(shù)，為保證承插管的強(qiáng)度，對(duì)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(chǎng)

對(duì)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(guò)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(zhǎng)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(duì)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

2.3 仿真結(jié)果

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(guò)程的工作要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)程的人力投入大大減少，擺脫了焊接帶來(lái)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(duì)準(zhǔn)有了很大的提高，提高了連接的可靠性，減少了安裝過(guò)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(duì)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。