直埋蒸汽管道型式試驗用沙箱試驗機的開發(fā)

摘 要

摘要：介紹了直埋蒸汽管道沙箱試驗(總體抗壓強度、工作管軸向移動性能試驗)的內(nèi)容及試驗結(jié)果判定標(biāo)準。探討了自行研制的沙箱試驗機的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了設(shè)計制造、使用、維
摘要：介紹了直埋蒸汽管道沙箱試驗(總體抗壓強度、工作管軸向移動性能試驗)的內(nèi)容及試驗結(jié)果判定標(biāo)準。探討了自行研制的沙箱試驗機的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了設(shè)計制造、使用、維護中應(yīng)注意的問題。
關(guān)鍵詞：直埋蒸汽管道；總體抗壓強度；工作管軸向移動性能；型式試驗；沙箱試驗
Development of Sand Box Tester for Type Test of Directly Buried Steam Pipeline
ZHANG Fusheng
Abstract：The content of sand box tests of directly buried steam pipeline(including total compressire strength test and axial sliding performance test of service pipe)and the judgment criteria of test result are introduced.The structure and working principle of independently developed sand box tester are discussed，and the problems to which attention should be paid in the design，manufacturing，use and maintenanee are analyzed.
Key words：directly buried steam pipeline；toutal compressive strength；axial sliding performante of service pipe；type test；sand box test
1 概述
    CJ/T 200—2004《城鎮(zhèn)供熱預(yù)制直埋蒸汽保溫管道技術(shù)條件》，將總體抗壓強度、工作管軸向移動性能試驗(采用沙箱試驗)等列入直埋蒸汽管道基本性能測試內(nèi)容。國家質(zhì)檢總局頒布實施的TSG D7002—2006《壓力管道元件型式試驗規(guī)則》也將直埋蒸汽管道總體抗壓強度、工作管軸向移動性能試驗列為主要型式試驗項目，其制造許可方式明確為產(chǎn)品型式試驗許可。即型式試驗機構(gòu)在現(xiàn)場取樣時，同時進行資源條件、質(zhì)量體系、設(shè)計工藝文件審查等工作，型式試驗合格后，報審批機關(guān)發(fā)證，不需要特種設(shè)備行政許可鑒定評審機構(gòu)的現(xiàn)場評審，這通常稱為型式試驗代評審的方式。這種方式簡化了工作程序，受到企業(yè)歡迎，但對直埋蒸汽管道型式試驗提出了更高要求。筆者結(jié)合工作實踐，認為與保溫性能試驗、防腐層抗沖擊性能試驗等項目相比，總體抗壓強度、工作管軸向移動性能試驗是直埋蒸汽管道型式試驗的核心，應(yīng)引起廣泛重視。同時應(yīng)加強蒸汽管網(wǎng)關(guān)鍵產(chǎn)品(疏水閥、減壓閥、溫控閥等)的質(zhì)量檢測[1]。
    徐州市直埋蒸汽管道生產(chǎn)廠家較多，在有關(guān)高校、科研單位、專業(yè)型式試驗機構(gòu)的幫助指導(dǎo)下，按照相關(guān)標(biāo)準規(guī)范的要求，先后制作了多套沙箱試驗機，共進行了幾十批次試件的試驗。經(jīng)江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院、浙江省特種設(shè)備檢驗中心等專業(yè)型式試驗機構(gòu)的確認，試驗結(jié)果基本反映了直埋蒸汽管道的性能，獲得了一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文對直埋蒸汽管道型式試驗用沙箱試驗機的開發(fā)進行研究。
2 沙箱試驗簡介
2.1 試驗內(nèi)容
   沙箱結(jié)構(gòu)見圖1。沙箱試驗即在沙箱中安裝由工作管、保溫層、外護鋼管組成的直埋蒸汽管道成品試件，沙箱中填沙，沙層上承受均布荷載，傳動機構(gòu)連接工作管，帶動工作管作一定速度的往復(fù)運動，分別測試空載和加載時的推(拉)力。

   ① 空載試驗。在未加沙前，將試件夾固在沙箱上，往復(fù)推(拉)工作管，速度為10mm/min，滑動位移為100mm，推(拉)過程中應(yīng)當(dāng)無卡澀現(xiàn)象。往復(fù)推(拉)3次，每次為不停頓地進退各1次，記錄每次推(拉)力，并計算空載時平均推(拉)力(6次的算術(shù)平均值)。
   ② 加載試驗。加載試驗時，將沙箱加沙至規(guī)定高度，在剛性壓板上施加力，以模擬外加荷載(為0.08MPa)。往復(fù)推(拉)工作管，速度為10mm/min，滑動位移為100mm。往復(fù)推(拉)3次，每次為不停頓地進退各1次，記錄每次推(拉)力，并計算加載時的平均推(拉)力(6次的算術(shù)平均值)。
    ③ 計算空載時平均推(拉)力與加載時平均推(拉)力的比值。
2.2 試驗結(jié)果判定標(biāo)準
    符合下列條件時，直埋蒸汽管道的總體抗壓強度和工作管軸向移動試驗的結(jié)果判定為合格。①總體抗壓強度不應(yīng)低于0.08MPa，即在0.08MPa的荷載下，直埋蒸汽管道的結(jié)構(gòu)不被破壞。②工作管相對于外護鋼管應(yīng)能軸向移動，并無卡澀現(xiàn)象。③空載時平均推(拉)力與加載時平均推(拉)力的比值不小于0.8。
3 沙箱試驗機的開發(fā)
3.1 開發(fā)背景
    20世紀80年代，為測定聚乙烯外護管摩擦系數(shù)，有關(guān)單位研制了沙箱試驗機[2]，但只限于測定直埋熱水管道外護管的摩擦系數(shù)。由于江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院尚無沙箱試驗裝置，因此徐州市多家直埋蒸汽管道生產(chǎn)廠家自行設(shè)計制造了沙箱試驗機。在沙箱試驗機使用初期存在由于加載方式不當(dāng)(采用杠桿原理)引起沙箱坍塌、試件無法安裝、測力不準等缺陷，因此沙箱試驗機的設(shè)計制造有待完善。
3.2 沙箱試驗機結(jié)構(gòu)及工作原理
    沙箱試驗機由沙箱、加載機構(gòu)、牽引機構(gòu)、電氣控制、測力傳感器、行程開關(guān)、計算機等部分組成。沙箱試驗機結(jié)構(gòu)見圖2，牽引機構(gòu)、加載機構(gòu)外形分別見圖3、4。牽引機構(gòu)由擺線針輪減速機、電動機、傳動部件等組成，牽引機構(gòu)通過測力傳感器與工作管相連。試驗時牽引機構(gòu)在行程開關(guān)的配合下使工作管作直線往復(fù)運動(每個行程100mm)，測力傳感器通過顯示器顯示推力、拉力。沙箱試驗機可在空載、加載狀況下進行操作，在進行加載試驗時通過千斤頂對試件加載，加載力傳感器通過顯示器顯示加載力。由計算機計算空載時平均推(拉)力與加載時平均推(拉)力的比值。沙箱兩側(cè)焊接20號槽鋼，并焊接橫梁支撐，便于安裝千斤頂(見圖4)。沙箱底部設(shè)置與牽引機構(gòu)、電控及儀表箱相連的支座。

4 沙箱試驗機的制造、使用、維護
4.1 制造時注意的事項
    CJ/T 200—2004、TSG D7002—2006對沙箱外形尺寸(尤其是寬度)的要求有所不同。CJ/T 200—2004要求的沙箱寬度按試件外護鋼管的外徑(最大試驗?zāi)芰?加300mm為限，而TSG D7002—2006是以試件工作管外徑(最大試驗?zāi)芰?加200 mm為限，沙箱長度由1800mm改為1500mm。兩個規(guī)范對沙箱高度沒有進行要求，在實際設(shè)計制造過程中，沙箱高度是在寬度基礎(chǔ)上附加容納剛性壓板厚度得到的。
    以最大試驗?zāi)芰橥鈴?20mm外護鋼管、工作管規(guī)格為DN 400mm的沙箱為例，按照CJ/T 200—2004設(shè)計的外形尺寸(長X寬X高)為1800mm×1320mm×1500mm，按照TSG D7002—2006設(shè)計的外形尺寸(長×寬×高)為1 500mm×826mm×1000mm。由此可知，后者比前者的寬度減小37%，造價也有所降低。
    若按CJ/T 200—2004，取最大試驗?zāi)芰楣ぷ鞴芤?guī)格DN 400mm、外護鋼管外徑為720mm的試件進行沙箱設(shè)計，當(dāng)換做工作管為DN 100mm、外護鋼管外徑為325mm的試件時，為保持試件周圍沙層厚度一致，試件四周的沙層厚度將達到500mm。而按照TSG D7002—2006設(shè)計的沙箱，當(dāng)試件工作管為DN 400mm、外徑為426mm時，外護鋼管(外徑為720mm)四周的沙層厚度僅53mm，這易對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響。對于工作管規(guī)格為DN 400mm，外護鋼管選用外徑為820mm的試件，則無法在按照TSG D7002—2006設(shè)計制造的沙箱上進行型式試驗。
    通過實際應(yīng)用分析，我們認為對于大規(guī)格直埋蒸汽管道采用按照CJ/T 200—2004設(shè)計的沙箱比較適合，對于小規(guī)格直埋蒸汽管道采用按照TSG D7002—2006設(shè)計的沙箱比較適合，直埋蒸汽管道生產(chǎn)廠家可以根據(jù)各自產(chǎn)品規(guī)格和產(chǎn)品型式試驗覆蓋范圍，對沙箱尺寸適當(dāng)調(diào)整。
    在滿足試驗情況下，沙箱外形尺寸宜小不宜大，這主要是考慮沙箱強度的要求，若沙箱過大，箱體板厚也要增加。一般情況下，箱體板厚小于8mm時，應(yīng)設(shè)加強筋。否則，裝滿沙子的沙箱在加載時，極易變形甚至損壞[3]。
    CJ/T 200—2004、TSG D7002—2006僅要求在剛性壓板上施力，以模擬0.08MPa的荷載，但未對剛性壓板和加載方式進行規(guī)定。我們采用千斤頂，以及在剛性壓板中心施力的方法。根據(jù)實際經(jīng)驗，按照CJ/T 200—2004設(shè)計的沙箱，由于沙箱尺寸較大，可以設(shè)置兩個千斤頂。按照TSG D7002—2006設(shè)計的沙箱，沙箱尺寸較小，建議采用在剛性壓板中心設(shè)置千斤頂?shù)募虞d方式。剛性壓板應(yīng)有足夠的厚度，且至少要設(shè)兩道加強筋。
    由于要求的固定牽引速度為10mm/min，單向行程為100mm，20min完成一個往復(fù)，因此要求減速機的減速比較大，我們最終選用擺線針輪減速機。
4.2 使用及維護
    一臺沙箱試驗機一般針對3種規(guī)格外護鋼管，配置3種規(guī)格的夾板。本文設(shè)計的沙箱試驗機配置的3種規(guī)格的夾板內(nèi)徑為：720、630、325mm，分別對應(yīng)工作管規(guī)格為DN 400、300、100mm。裝填的沙子應(yīng)按CJ/T 200—2004的要求，選用干燥的自然沙，粒徑為0.5～2.0mm的沙子要占60%以上。我們在試驗時發(fā)現(xiàn)，潮濕或粒徑過小、過大的沙子對試驗結(jié)果有很大影響。出于安全考慮，蓋上剛性壓板后，再安裝千斤頂?shù)妊b置。
   電控及儀表箱不要置于振動的環(huán)境中，以防止儀表因受到振動而損壞。沙箱試驗機在使用時，要對傳感器等進行遮擋，不用時要將傳感器拆下并存放在安全場所。要保護好傳感器與儀表的線路，避免受到機器和重物的損壞。沙箱試驗機不用時，要將沙子清空，并做好傳動部件的檢查和潤滑。
5 結(jié)語
   我們開發(fā)的直埋蒸汽管道沙箱試驗機符合國家有關(guān)法規(guī)標(biāo)準的要求，具有結(jié)構(gòu)可靠、工作管往復(fù)運動自動控制、加載方便、測力準確的特點，使用效果良好。
參考文獻：
[1] 王娟.蒸汽管網(wǎng)關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心工程[J].煤氣與熱力，2009，29(8)：A12-A14.
[2] 談叢熙.供熱管道無補償直埋技術(shù)的合理性[J].北京節(jié)能，2000(6)：31-32.
[3] SMIDT H D.Intercomparison of sandboxes used for testing joints for district beating pipes[R].Espoo：Danish Technological Institute，2002.
 
(本文作者：張富勝 江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院徐州分院 江蘇徐州 221000)