部分懸空管道汽車運輸安全性分析

左超 高成龍 王江龍 李亞兵 張濤

(1.新興鑄管股份有限公司;2.河北省球墨鑄鐵管工程技術研究中心 河北邯鄲 056300)

1 計算模型的確立

1.1 實際工況

球墨鑄鐵管道（后文簡稱球管）是一種可應用于市政和水利的常用管道，其單支長度大多在6 m左右，部分大規格管道的單支長度達到8 m，在運輸方面，主要是用鐵路運輸、船舶運輸和汽車運輸，其中汽車運輸時采用的貨車多為17.5 m 的長板車，可以實現單支長度8 m的管道雙排串行排列運輸。但隨著公路運輸尤其是大型貨車運輸政策的改變，17.5 m 的長板車運輸在不同國家、不同地區受到了一定影響，并且很多運輸車主鑒于不同原因呼吁取締17.5 m 的長板車，因此單支長度8 m 的球管的運輸受到嚴重影響。在此背景下，12.5 m 板車運輸雙排串行排列的8 m 長度的球管成為一個選擇。

使用12.5 m 板車運輸雙排串行排列的球管，需要將靠近車尾的一排管道進行懸空布置，即大部分長度的管道放置在車板內，使用鋼絲繩等可靠繩索進行可靠的約束緊固，而小部分長度的管道則懸出車板，即懸空布置。

如圖1 所示，球管的運輸車輛車板長度為L，兩排管道串行排列的總長度為L2，管道懸出車板外的長度為Lh，即L2-L=Lh。

圖1 運輸形式示意圖

鑄管的長途運輸路線路況較為復雜，其中高速路段路況平坦，顛簸較小，但在到達使用工地的途中，需要考慮顛簸程度，尤其是山區等路況較差的路線。韓創撰寫的《沖擊系數的影響因素與研究——以廣東省貨車動載荷實驗數據為例》論文[1]指出，汽車在道路上行駛時，是以動載的方式施力于路面，導致對地面作用力時而大于靜載。何洋撰寫的《路面沖擊載荷對汽車傳動系的影響及臺架模擬試驗方法研究》論文[2]指出，通常認為汽車在平直路面上勻速行駛時，道路阻力不變，但在壞路、越野路或顛簸路面行駛時，道路阻力會變得十分復雜，這對汽車傳動系產生較大影響，因此，要慎重考慮崎嶇路況造成的顛簸對管道的結構影響。

1.2 計算模型

1.2.1 為形成計算模型，對實際工況進行以下形式的簡化

假設位于車板內部的部分長度的管道可以保證緊固的可靠性、穩定性，從而將懸空部分的管道視作懸臂梁結構，進而形成懸臂梁受力模型，具體為在均布載荷作用下的撓度及應力計算的簡化工況。

1.2.2 簡化工況確定后，進行計算模型的確立

在計算模型確立前，需要進行以下說明。

球管的結構分為管道金屬本體和內襯兩部分，考慮到管道金屬本體及內襯組合體的彈性模量不易確定，且內襯的厚度、強度、剛度等物理性能相對管道金屬本體弱得多，同時，為了保證計算結果包含最惡劣的工況及具有一定的安全余量，在利用計算模型進行撓度、應力計算時不考慮內襯對管道整體剛度增強的有益作用，但仍舊考慮內襯重量對懸出部分管道的載荷作用。

（1）計算模型的原理。

①確定懸出部分管道的顛簸加速度，通過加速度值換算為計算模型中的均布載荷值q。②通過懸臂梁計算模型，計算懸出部分管道的金屬本體的最大撓度Y，由于管道金屬本體與內襯會同步撓曲，因此，內襯的最大撓度即為金屬本體的最大撓度。③鑒于作用在管道上的彎矩為對管道金屬本體和內襯上的綜合彎矩，而單獨計算內襯所承受的彎矩較難計算，為簡化計算方法，通過內襯的最大撓度值Y，反推出內襯單獨承受的名義均布載荷qc及名義最大彎矩Mc。④在懸臂梁模型中，最大彎折應力的位置位于管道頂部，且位于懸臂梁的固定位置處，因此，通過內襯的最大彎矩Mc推導出內襯在頂部受到的彎折應力σcc。⑤通過一系列水泥砂漿樣條的彎折試驗，確定內襯允許抗折強度σccmax。⑥鑒于內襯的抗折強度值σccmax為破壞判據，對于內襯材料，一般在破壞之前會有微裂紋先產生，然后，隨著載荷的增大，微裂紋逐漸擴展，最終導致破壞[3]，雖然球管標準中允許一定寬度和深度的內襯裂紋存在，但其微裂紋產生的彎曲應力值由于制造條件的差異而存在較大差距，無法進行定量計算和取值，因此，設定2 倍安全系數，得到許用抗折強度[σcc]=σccmax/2。⑦根據計算所得的實際最大彎折應力σcc與[σcc]，進行比較驗算，并作為內襯是否破壞的安全判據。

（2）計算公式。

①計算懸出管道的均布載荷q。

式（1）中，Mlg、Mnc分別為裸管、內襯的每米重量，單位：N/m；N為重力加速度的倍數；g為重力加速度，9.8 m/s2。

②計算懸出管道最遠端的撓度Y。

式（2）中，q為均布在懸出管道的載荷，單位：N/m；Lh為懸出管道的長度，單位：m；Elg為裸管的彈性模量，170 GPa；Ilg為裸管的截面慣性矩，單位：m4。

③計算內襯的名義均布載荷qc及名義最大彎矩Mc。

式（3）中，Enc為內襯的彈性模量，30GPa；Inc為內襯的截面慣性矩，單位：m4。

④計算內襯在頂部受到的彎折應力σcc。

式（5）中，W為內襯的抗彎模量，單位：m3。

2 相關參數的確定及計算

2.1 重力加速度的倍數N的確定

文獻[4]使用加速度傳感器平臺測試法，對新能源汽車電機控制器在汽車顛簸、振動沖擊下的疲勞耐久性進行了分析研究，《GB/T 2423.5-2019，環境試驗第2部分：試驗方法試驗Ea和導則：沖擊》標準提供了確定樣品經受規定嚴酷度的非重復或重復沖擊能力的標準程序，在某些情況下，該標準中的沖擊試驗也可以用來確定樣品的結構完好性，或作為質量控制的手段，該試驗主要針對不帶包裝樣品，以及在運輸條件下其包裝可看作產品本身一部分的樣品。如果不帶包裝物品進行試驗，將之歸于受試樣品[5]。

結合上述標準的相關描述，該文所討論的部分懸空管道的運輸可以看作沖擊試驗的類似工況，并通過試驗嚴酷度等級表，確定了最大沖擊加速度值，具體見表1。

表1 應用于各種場合的試驗嚴酷度等級的典型示例（原文表A.2部分摘抄）

通過表格中的描述，該文所述對象與250 m/s2的試驗嚴酷等級的情況最為接近，即物品在運輸工具上有相對安全的固定，且運輸工具可能會遇到野外較為崎嶇的越野路況，近似于越野重型車的條件，但根據表格中注解，對于100 kg 以上的樣品，通常采用100 m/s2的試驗嚴酷等級，因此該計算模型中將進行100 m/s2和250 m/s2兩種嚴酷等級的計算，并進行比較。

2.2 σccmax及[σcc]的確定

內襯的抗折強度，根據試驗數據，實際測試出的抗折強度在7 MPa 左右，即在彎矩作用下的最大彎折應力強度達到7 MPa 左右的時候，標準的內襯條發生斷裂破壞，這也符合萬謹在《聚合物改性水泥砂漿力學性能的研究》中進行的基準水泥砂漿抗折強度試驗情況[6]。

因此，抗折強度σccmax=7 MPa；許用抗折強度[σcc]=3.5 MPa；其他計算參數計算較為簡便，不再贅述。

3 結果的分析

根據GB/T 13295-2008 及GB/T 17457 兩個標準進行計算相關的產品尺寸參數確定，為保險起見，采用較為保守的參數確定原則，即管道金屬本體的壁厚取K9級別最小值，內襯厚度取公稱值，通過計算，得到以下計算結果，如表2所示。

表2 計算結果（單位：MPa）

4 結語

綜上所述，在管道懸出部分長度時，在100 m/s2加速度的顛簸模擬工況下，只有DN1100規格鑄管在懸出長度為4 m 時，內襯的彎曲應力超過3.5 MPa，具有一定的破壞風險，而在250 m/s2加速度的顛簸模擬工況下，部分規格在不同懸出長度下出現彎折應力已經超過7 MPa 的情況，導致內襯損壞情況出現，另外，處于3.5～7 MPa 區間的情況，也具有一定的破壞風險。

很明顯，當沖擊加速度由100 m/s2增加至250 m/s2時，出現內襯損壞風險的管道規格數量大幅增加，因此,在實際運輸過程中，首先，要對管道的綁扎約束質量進行控制，保證穩定可靠的約束，用來限制承受沖擊時可能發生的由于約束力不夠導致的額外振動，同時，要合理控制運輸速度，由于很多鑄管的運輸目的地為荒野地帶，難免遇到崎嶇道路，此時更要減慢速度，選擇合適的路線，控制顛簸程度，保證產品運輸的安全性。