承插管結構設計及應力分析*

陳 飛，葛 云※，戚祝暉，蔡文軍

（1. 石河子大學機械電氣工程學院， 新疆石河子 832003；2. 石河子開發(fā)區(qū)天浩管業(yè)有限責任公司， 新疆石河子 832014）

0 引言

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置法蘭，設置法蘭工序繁瑣且不便；而目前通常使用的鋼管承插技術，存在諸多技術缺陷、安全隱患，在實際使用中，不能達到使用效果，不能為生產所用。球形單膠圈的技術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位移，安裝質量、密封性能不能控制，球面預緊壓縮膠圈不能適應管道和輸送介質隨溫度的高低而變化，使承口、插口產生伸縮、位移而造成承插連接口泄漏及失效，不能實現(xiàn)安裝過程中單口試驗檢驗安裝質量，不能適應地址地形沉降的變化、地震等諸多實際存在的環(huán)境[1-3]。

國外從20世紀50年代起，膠圈柔性接口就在輸水鋼管上開始應用，管線品質由此有所提高；70年代后，因人工費用的上升，膠圈柔性接口已成為國外輸水鋼管連接的主流技術。這種接口膠圈置于插口上的深槽內，安裝較方便，有自對中特性；安裝時膠圈隨槽進入承口，適應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力、伸縮應力，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度特性二個方面提升了管線的安全性。

綜上所述[4-7]，國外已經開發(fā)承插管柔性連接并取得一些成果，國內也研究柔性管道的連接，但目前螺旋焊管和承插方式的結合品未見相關研究。為此，本文研制了一種結構巧妙、使用方便的基于雙膠圈技術的管道連接方式，即承插管。承插管結構如圖1所示，以滿足不同安裝使用場合角度調整以及軸向活動調節(jié)。其中承頭和插頭的設計對于能否正常連接起到關鍵作用，吊耳的強度和設計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)及關鍵部件包括承頭、插頭和吊耳進行參數(shù)設計，應用Solidworks三維建模軟件建立承插管三維虛擬模型，模擬實際運輸和移動過程中承插管受力情況，運用Solidworks Smiulation 模塊設定承插管結構參數(shù)對承插管進行應力分析，保證承插管的強度達到安裝過程的使用要求。

1 結構與工作原理

本文所設計的承插管主要由承插頭、吊耳和管身3 個部分組成，承插管具體結構如圖1所示。

圖1 承插管結構

安裝作業(yè)時為如下過程：（1）啟動承插管移動設備，通過連接設備與承插管上兩側吊耳進行連接固定；（2）移動設備運行，將承插管從放置點移動至安裝位置；（3）調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）使用加壓設備進行加壓測試，測試完成后進行下一安裝作業(yè)。

2 承插管設計

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準技術規(guī)程和SY/T5037-2000，考慮承插管的實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。實際生產的承插管如圖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鍵設計部位，承插口設計決定了承插管在實際使用過程能否在各種環(huán)境下安全運行，因此對承頭和插頭參數(shù)進行設計計算，承頭結構和插頭結構和如圖2（c）～（d）所示。承頭是一種類喇叭口設計，在承插管的一端，另一端就是插頭，插頭上設計有2 個密封槽，其設計保證了承插管的密閉性，同時也給承插管一定的活動空間，適應各種復雜環(huán)境，承插口連接結構如圖2（e）所示，承頭與插頭通過密封圈進行連接，這種設計無需將承頭和插頭進行剛性連接，方便安裝和更換，同時也提高了使用壽命。

圖2 承插管結構設計

承插管內徑A=618 mm，則承頭內徑E計算公式：

式中：A為承插管內徑，mm；B為承插管管壁厚度，mm；a為承插管承頭高度，mm。

承頭內徑E=635 mm，插頭外徑F=634.8 mm，則承插管插頭外徑F計算公式：

式中：s為承插管間隙，mm。

為了方便承插管的移動、運輸和安裝，并使承插管在吊裝過程受力達到平衡，在承插管兩側設置吊耳，吊耳承受了承插管的全部重量，為保證承插管運行平穩(wěn)，吊耳結構中心對稱分布，保證其穩(wěn)定性和受力均衡，如圖2（f）所示。

2.2 承插管應力分析

如圖3 所示，承插管從生產制造、運輸和安裝等多個環(huán)節(jié)中，需使用各種所需設備進行相關作業(yè)，尤其在運輸和安裝等過程中，需使用吊車和加壓等移動承插管和測試壓力等參數(shù)，為保證承插管的強度，對承插管應力分布進行仿真分析。

圖3 承插管吊裝現(xiàn)場

對承插管模型進行整體網格劃分，以滿足應力分析的需要，劃分時根據(jù)不同部位選擇不同的網格大小，在承頭、插頭、吊耳等應力集中部位使用較小的網格尺寸0.5 mm，在其他部位選擇常規(guī)網格尺寸為5 mm，在保證應力分析結果準確性的前提下，盡量減少計算難度，劃分網格情況如圖4（a）所示。

運行Solidworks Smiulation 模塊進行模型邊界條件設定和求解， 根據(jù)承插管力學性能要求， 選用承插管材料為Q235B，模擬實際安裝過程承插管應力分布情況。

承插管重力G計算公式:

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，所對應的承插管單位米質量C=92.83 kg/m，計算得到承插管重力G=11139.6 N。

根據(jù)承插管的重力G添加載荷及約束，使模擬情況與實際情況一致，獲得有效的承插管應力分析數(shù)據(jù)，驗證承插管設計的可行性。承插管應力分析如圖4（b）所示。

圖4 承插管應力分析

2.3 仿真結果

從承插管應力分析圖可以看出，承插管主要應力分布在吊耳周圍，吊耳及吊耳周圍受力明顯大于其他部位，與實際受力分布情況一致，根據(jù)吊耳的設計參數(shù)可知，承插管兩端吊耳結構設計滿足實際運輸和操作安裝過程的工作要求。

3 結束語

本文對管道現(xiàn)有連接方式進行了研究，設計了一種承插管，即一種新的螺旋焊管連接方式，對承插管進行了設計，包括承頭、插頭和吊耳結構參數(shù)，并使用Solidworks三維建模軟件對承插管進行虛擬模型建立，運用Solidworks Smiulation模塊設定承插管結構參數(shù)，根據(jù)實際受力情況施加受力，并進行模擬應力分析。結果顯示，承插管總體結構參數(shù)和關鍵部件參數(shù)滿足實際運輸、安全安裝和運行要求，得到了較為合理的承插管設計參數(shù)。承插管可實現(xiàn)螺旋焊管和承插的結合，使施工過程的人力投入大大減少，擺脫了焊接帶來的不便，同時由于自動化安裝輔助設備的研發(fā)，使安裝定位對準有了很大的提高，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，降低了工人的勞動強度。承插管參數(shù)的合理設計布置對于承插管的安裝及安全運行起著至關重要的作用，管道應力分析是保證管道安全安裝的一種重要方法。