直埋蒸汽管道型式试验用沙箱试验机的开发_技术研究

摘要

摘要：介绍了直埋蒸汽管道沙箱试验(总体抗压强度、工作管轴向移动性能试验)的内容及试验结果判定标准。探讨了自行研制的沙箱试验机的结构及工作原理，分析了设计制造、使用、维

摘要：介绍了直埋蒸汽管道沙箱试验(总体抗压强度、工作管轴向移动性能试验)的内容及试验结果判定标准。探讨了自行研制的沙箱试验机的结构及工作原理，分析了设计制造、使用、维护中应注意的问题。

关键词：直埋蒸汽管道；总体抗压强度；工作管轴向移动性能；型式试验；沙箱试验

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《城镇供热预制直埋蒸汽保温管道技术条件》，将总体抗压强度、工作管轴向移动性能试验(采用沙箱试验)等列入直埋蒸汽管道基本性能测试内容。国家质检总局颁布实施的TSG D7002—2006《压力管道元件型式试验规则》也将直埋蒸汽管道总体抗压强度、工作管轴向移动性能试验列为主要型式试验项目，其制造许可方式明确为产品型式试验许可。即型式试验机构在现场取样时，同时进行资源条件、质量体系、设计工艺文件审查等工作，型式试验合格后，报审批机关发证，不需要特种设备行政许可鉴定评审机构的现场评审，这通常称为型式试验代评审的方式。这种方式简化了工作程序，受到企业欢迎，但对直埋蒸汽管道型式试验提出了更高要求。笔者结合工作实践，认为与保温性能试验、防腐层抗冲击性能试验等项目相比，总体抗压强度、工作管轴向移动性能试验是直埋蒸汽管道型式试验的核心，应引起广泛重视。同时应加强蒸汽管网关键产品(疏水阀、减压阀、温控阀等)的质量检测^[1]。

徐州市直埋蒸汽管道生产厂家较多，在有关高校、科研单位、专业型式试验机构的帮助指导下，按照相关标准规范的要求，先后制作了多套沙箱试验机，共进行了几十批次试件的试验。经江苏省特种设备安全监督检验研究院、浙江省特种设备检验中心等专业型式试验机构的确认，试验结果基本反映了直埋蒸汽管道的性能，获得了一些基础数据。本文对直埋蒸汽管道型式试验用沙箱试验机的开发进行研究。

2 沙箱试验简介

2.1 试验内容

沙箱结构见图1。沙箱试验即在沙箱中安装由工作管、保温层、外护钢管组成的直埋蒸汽管道成品试件，沙箱中填沙，沙层上承受均布荷载，传动机构连接工作管，带动工作管作一定速度的往复运动，分别测试空载和加载时的推(拉)力。

① 空载试验。在未加沙前，将试件夹固在沙箱上，往复推(拉)工作管，速度为10mm/min，滑动位移为100mm，推(拉)过程中应当无卡涩现象。往复推(拉)3次，每次为不停顿地进退各1次，记录每次推(拉)力，并计算空载时平均推(拉)力(6次的算术平均值)。

② 加载试验。加载试验时，将沙箱加沙至规定高度，在刚性压板上施加力，以模拟外加荷载(为0.08MPa)。往复推(拉)工作管，速度为10mm/min，滑动位移为100mm。往复推(拉)3次，每次为不停顿地进退各1次，记录每次推(拉)力，并计算加载时的平均推(拉)力(6次的算术平均值)。

③ 计算空载时平均推(拉)力与加载时平均推(拉)力的比值。

2.2 试验结果判定标准

符合下列条件时，直埋蒸汽管道的总体抗压强度和工作管轴向移动试验的结果判定为合格。①总体抗压强度不应低于0.08MPa，即在0.08MPa的荷载下，直埋蒸汽管道的结构不被破坏。②工作管相对于外护钢管应能轴向移动，并无卡涩现象。③空载时平均推(拉)力与加载时平均推(拉)力的比值不小于0.8。

3 沙箱试验机的开发

3.1 开发背景

20世纪80年代，为测定聚乙烯外护管摩擦系数，有关单位研制了沙箱试验机^[2]，但只限于测定直埋热水管道外护管的摩擦系数。由于江苏省特种设备安全监督检验研究院尚无沙箱试验装置，因此徐州市多家直埋蒸汽管道生产厂家自行设计制造了沙箱试验机。在沙箱试验机使用初期存在由于加载方式不当(采用杠杆原理)引起沙箱坍塌、试件无法安装、测力不准等缺陷，因此沙箱试验机的设计制造有待完善。

3.2 沙箱试验机结构及工作原理

沙箱试验机由沙箱、加载机构、牵引机构、电气控制、测力传感器、行程开关、计算机等部分组成。沙箱试验机结构见图2，牵引机构、加载机构外形分别见图3、4。牵引机构由摆线针轮减速机、电动机、传动部件等组成，牵引机构通过测力传感器与工作管相连。试验时牵引机构在行程开关的配合下使工作管作直线往复运动(每个行程100mm)，测力传感器通过显示器显示推力、拉力。沙箱试验机可在空载、加载状况下进行操作，在进行加载试验时通过千斤顶对试件加载，加载力传感器通过显示器显示加载力。由计算机计算空载时平均推(拉)力与加载时平均推(拉)力的比值。沙箱两侧焊接20号槽钢，并焊接横梁支撑，便于安装千斤顶(见图4)。沙箱底部设置与牵引机构、电控及仪表箱相连的支座。

4 沙箱试验机的制造、使用、维护

4.1 制造时注意的事项

CJ/T 200—2004、TSG D7002—2006对沙箱外形尺寸(尤其是宽度)的要求有所不同。CJ/T 200—2004要求的沙箱宽度按试件外护钢管的外径(最大试验能力)加300mm为限，而TSG D7002—2006是以试件工作管外径(最大试验能力)加200 mm为限，沙箱长度由1800mm改为1500mm。两个规范对沙箱高度没有进行要求，在实际设计制造过程中，沙箱高度是在宽度基础上附加容纳刚性压板厚度得到的。

以最大试验能力为外径720mm外护钢管、工作管规格为DN 400mm的沙箱为例，按照CJ/T 200—2004设计的外形尺寸(长X宽X高)为1800mm×1320mm×1500mm，按照TSG D7002—2006设计的外形尺寸(长×宽×高)为1 500mm×826mm×1000mm。由此可知，后者比前者的宽度减小37%，造价也有所降低。

若按CJ/T 200—2004，取最大试验能力为工作管规格DN 400mm、外护钢管外径为720mm的试件进行沙箱设计，当换做工作管为DN 100mm、外护钢管外径为325mm的试件时，为保持试件周围沙层厚度一致，试件四周的沙层厚度将达到500mm。而按照TSG D7002—2006设计的沙箱，当试件工作管为DN 400mm、外径为426mm时，外护钢管(外径为720mm)四周的沙层厚度仅53mm，这易对试验结果产生一定影响。对于工作管规格为DN 400mm，外护钢管选用外径为820mm的试件，则无法在按照TSG D7002—2006设计制造的沙箱上进行型式试验。

通过实际应用分析，我们认为对于大规格直埋蒸汽管道采用按照CJ/T 200—2004设计的沙箱比较适合，对于小规格直埋蒸汽管道采用按照TSG D7002—2006设计的沙箱比较适合，直埋蒸汽管道生产厂家可以根据各自产品规格和产品型式试验覆盖范围，对沙箱尺寸适当调整。

在满足试验情况下，沙箱外形尺寸宜小不宜大，这主要是考虑沙箱强度的要求，若沙箱过大，箱体板厚也要增加。一般情况下，箱体板厚小于8mm时，应设加强筋。否则，装满沙子的沙箱在加载时，极易变形甚至损坏^[3]。

CJ/T 200—2004、TSG D7002—2006仅要求在刚性压板上施力，以模拟0.08MPa的荷载，但未对刚性压板和加载方式进行规定。我们采用千斤顶，以及在刚性压板中心施力的方法。根据实际经验，按照CJ/T 200—2004设计的沙箱，由于沙箱尺寸较大，可以设置两个千斤顶。按照TSG D7002—2006设计的沙箱，沙箱尺寸较小，建议采用在刚性压板中心设置千斤顶的加载方式。刚性压板应有足够的厚度，且至少要设两道加强筋。

由于要求的固定牵引速度为10mm/min，单向行程为100mm，20min完成一个往复，因此要求减速机的减速比较大，我们最终选用摆线针轮减速机。

4.2 使用及维护

一台沙箱试验机一般针对3种规格外护钢管，配置3种规格的夹板。本文设计的沙箱试验机配置的3种规格的夹板内径为：720、630、325mm，分别对应工作管规格为DN 400、300、100mm。装填的沙子应按CJ/T 200—2004的要求，选用干燥的自然沙，粒径为0.5～2.0mm的沙子要占60%以上。我们在试验时发现，潮湿或粒径过小、过大的沙子对试验结果有很大影响。出于安全考虑，盖上刚性压板后，再安装千斤顶等装置。

电控及仪表箱不要置于振动的环境中，以防止仪表因受到振动而损坏。沙箱试验机在使用时，要对传感器等进行遮挡，不用时要将传感器拆下并存放在安全场所。要保护好传感器与仪表的线路，避免受到机器和重物的损坏。沙箱试验机不用时，要将沙子清空，并做好传动部件的检查和润滑。

5 结语

我们开发的直埋蒸汽管道沙箱试验机符合国家有关法规标准的要求，具有结构可靠、工作管往复运动自动控制、加载方便、测力准确的特点，使用效果良好。

参考文献：

[1] 王娟.蒸汽管网关键产品质量检测中心工程[J].煤气与热力，2009，29(8)：A12-A14.

[2] 谈丛熙.供热管道无补偿直埋技术的合理性[J].北京节能，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.