聚氨酯直埋保温管道切向剪切试验装置的设计

沈 旭 ， 白冬军

（1.北京市公用事业科学研究所，北京100011； 北京市建设工程质量第四检测所，北京100011）

0 引言

聚氨酯直埋保温管的发展使城镇供热管网工效得到明显提高，热损失率可有效降低80%，但在实验室无法对实际口径的预制直埋保温管道进行切向剪切强度的检测；无法保障施工工艺的完好性；无法保障预制直埋供热管网的安全、稳定运行等因素，影响了聚氨酯直埋保温管实际应用[1]。保温管切向剪切检测技术急待突破，整管剪切技术落后已成为制约预制直埋保温管产业化发展的瓶颈。

本文拟对聚氨酯直埋保温管结构及特征进行分析，从而为聚氨酯直埋保温管剪切设备的设计提供理论依据。

1 保温管剪切强度实验和剪切强度的测定

1.1 聚氨酯密度对切向剪切的影响试验

1.1.1 实验步骤

仪器设备选用CMT4204型微机控制电子万能试验机，将试样处于常温（23±2）℃环境条件下，通过两根对称杠杆，试验装置按25mm/min的速度连续施加切向力，直至保温结构的结合面破坏分离，如图1所示，记录最大切向力值，力—变形曲线。切向力垂直作用于杠杆上，在每一根杠杆上施加的切向力为Ftan/2。

图1 切向剪切模拟实验装置示意图

1.1.2 实验数据处理

切向剪切强度应按式（1）计算：

式中：τtan—切向剪切强度 （MPa）；Ftan—切向剪切力（N）；L—试样长度（mm）；a—每一根杠杆的长度（mm）。

1.1.3 剪切试验结果

使用上述试验设备、试验方法测定，得出聚氨酯试样密度与工作钢管切向剪切物理特性参数如表1所示，得出如图2所示聚氨酯密度对切向剪切力的影响曲线。

表1 密度、剪切力、剪切强度实测值

图2 聚氨酯密度与切向剪切力关系

1.2 工作钢管外径对切向剪切的影响试验

同理，将聚氨酯保温管按保温层密度为60～70kg/m3进行发泡，取DN60～DN1400保温管12组，试样长度取300mm。按照上述试验设备、试验方法测定，得出工作钢管外径与切向剪切物理特性参数如表2所示，其关系如图3所示。

表2 工作钢管外径、剪切力、剪切强度实测值

图3 工作钢管外径与切向剪切力关系

1.3 试验数据分析与参数选择

通过对聚氨酯泡沫保温材料的剪切强度试验结果，可以得出聚氨酯泡沫密度越高，剪切力越大且破坏界面在保温层上；当密度为60～70kg/m3切向剪切强度不小于0.08MPa；剪切力随工作钢管外径增大而增大，最大外径为1400mm时，最大力出现在150kN附近。由于万能试验机通常的测量范围在满量程的80%以内。所以，选取该仪器设备压力传感器量程为200kN。

2 设计依据

本文依据EN448：2009《用于区域供热热水管网 由工作钢管、聚氨酯保温层和高密度聚乙烯外护管组成的预制直埋保温管道接头》[2]、GB/T29046-2012《城镇供热预制直埋保温管道技术指标检测方法》、GB/T 29047-2012《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》[3]、EN253：2009《用于区域供热热水管网 由工作钢管、聚氨酯保温层和高密度聚乙烯外护管组成的预制直埋保温管》[4]。提供一种结构简单，操作便捷，检测成本低，便于常温（23±2）℃和高温（140±2）℃动态条件下测定预制直埋保温管道切向剪切强度的试验装置。

3 技术方案

本文设计的切向剪切试验装置，包括套设在试样管道外侧的外抱瓦、分别设置在外抱瓦两端的夹固装置和扭力装置，外抱瓦两端侧壁上分别沿外抱瓦轴向开设有第一凹槽和第二凹槽，第一凹槽和第二凹槽的数量分别为两个，相对设置；夹固装置包括夹固在试样管道保温层外侧的内抱瓦和设置在内抱瓦上的第一限位杆，第一限位杆数量为两个，沿外抱瓦圆周相对设置，第一限位杆一端固定在内抱瓦外侧壁上，另一端卡固在相应的第一凹槽内，第一限位杆与内抱瓦轴向垂直设置；扭力装置包括卡固在第二凹槽内的第二限位杆和设置在第二限位杆上的连接件，第二限位杆与外抱瓦轴向垂直设置，连接件另一端与扭矩扳手连接，如图4、图5所示。

图4 测定预制直埋保温管道切向剪切强度的使用状态主视图

图5 测定预制直埋保温管道切向剪切强度的使用状态俯视图

动力装置设计。传动原理：伺服电机→传动系统→滚珠丝杠→试样，如图6所示。

图6 动力装置传动原理

该剪切装置工作环境温度不超过40℃，相对湿度不超过RH95%，为一般用途机械，根据工作和电源条件，选用Y系列三相异步电动机。取最大试验力200kN，移动最大速度 50mm/min，效率：η带=0.96，η联=0.98，η减=0.95，η丝杠=0.95，由式（2）、（3）可得[5]：Pw=1.204kW，Pd=1.368kW 电机应选用同步转速为1500r/min，4极Y系列三相异步电动机，本装置考虑采用微机控制，故选用安川伺服电机（1.3kW）：额定输出1.3kW，电源电压 220v，串行编码器 24位增量型，轴端带键槽、带螺孔，SGM7G-13AFC61；安川伺服驱动器（1.5kW）：Σ-7系列伺服单元Σ-7S型，最大适用电机容量1.5kW，SGD7S-120A00A002。

式中：Pw—工作机所需功率（kW）；F—工作机的阻力（N）；v—工作机的线速度（m/s）；ηw—工作机的效率。

式中：Pd—工作机实际需要的电动机输出功率（kW）；Pw—工作机所需输入功率 （kW）；η—电动机至工作机之间传动装置的总效率。

依据EN448：2009《用于区域供热热水管网 由工作钢管、聚氨酯保温层和高密度聚乙烯外护管组成的预制直埋保温管道接头》、GB/T 29047-2012《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》、EN253：2009《用于区域供热热水管网 由工作钢管、聚氨酯保温层和高密度聚乙烯外护管组成的预制直埋保温管》、GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验 第一部分：室温试验方法》、GB/T699-1999《优质碳素结构钢》、GB/T9711-2011《石油天然气工业输送钢管》的标准对样机主要部件力学性能、弯曲性能进行检测，其检测结果均满足强度要求，能够完成剪切任务。经样机、万能试验机不同设备所做的剪切强度比对试验，实测值误差在5%以内，合标准要求。

4 结论

本文通过扭转外抱瓦另一端连接的扭矩扳手，即可实现切向剪切强度的测试，操作便捷，装夹精度高，测试结果准确率高；适用于室温（23±2）℃和高温（140±2）℃试样的切向剪切强度的试验，不受试样本身条件的限制，使用范围更广泛，当工作钢管外径不大于DN800时，测力装置改用相应量程的扭矩扳手，便于移动，检测速度快，检测成本低，可广泛应用于现场和实验室的检测。