部分悬空管道汽车运输安全性分析

左超 高成龙 王江龙 李亚兵 张涛

(1.新兴铸管股份有限公司;2.河北省球墨铸铁管工程技术研究中心 河北邯郸 056300)

1 计算模型的确立

1.1 实际工况

球墨铸铁管道（后文简称球管）是一种可应用于市政和水利的常用管道，其单支长度大多在6 m左右，部分大规格管道的单支长度达到8 m，在运输方面，主要是用铁路运输、船舶运输和汽车运输，其中汽车运输时采用的货车多为17.5 m 的长板车，可以实现单支长度8 m的管道双排串行排列运输。但随着公路运输尤其是大型货车运输政策的改变，17.5 m 的长板车运输在不同国家、不同地区受到了一定影响，并且很多运输车主鉴于不同原因呼吁取缔17.5 m 的长板车，因此单支长度8 m 的球管的运输受到严重影响。在此背景下，12.5 m 板车运输双排串行排列的8 m 长度的球管成为一个选择。

使用12.5 m 板车运输双排串行排列的球管，需要将靠近车尾的一排管道进行悬空布置，即大部分长度的管道放置在车板内，使用钢丝绳等可靠绳索进行可靠的约束紧固，而小部分长度的管道则悬出车板，即悬空布置。

如图1 所示，球管的运输车辆车板长度为L，两排管道串行排列的总长度为L2，管道悬出车板外的长度为Lh，即L2-L=Lh。

图1 运输形式示意图

铸管的长途运输路线路况较为复杂，其中高速路段路况平坦，颠簸较小，但在到达使用工地的途中，需要考虑颠簸程度，尤其是山区等路况较差的路线。韩创撰写的《冲击系数的影响因素与研究——以广东省货车动载荷实验数据为例》论文[1]指出，汽车在道路上行驶时，是以动载的方式施力于路面，导致对地面作用力时而大于静载。何洋撰写的《路面冲击载荷对汽车传动系的影响及台架模拟试验方法研究》论文[2]指出，通常认为汽车在平直路面上匀速行驶时，道路阻力不变，但在坏路、越野路或颠簸路面行驶时，道路阻力会变得十分复杂，这对汽车传动系产生较大影响，因此，要慎重考虑崎岖路况造成的颠簸对管道的结构影响。

1.2 计算模型

1.2.1 为形成计算模型，对实际工况进行以下形式的简化

假设位于车板内部的部分长度的管道可以保证紧固的可靠性、稳定性，从而将悬空部分的管道视作悬臂梁结构，进而形成悬臂梁受力模型，具体为在均布载荷作用下的挠度及应力计算的简化工况。

1.2.2 简化工况确定后，进行计算模型的确立

在计算模型确立前，需要进行以下说明。

球管的结构分为管道金属本体和内衬两部分，考虑到管道金属本体及内衬组合体的弹性模量不易确定，且内衬的厚度、强度、刚度等物理性能相对管道金属本体弱得多，同时，为了保证计算结果包含最恶劣的工况及具有一定的安全余量，在利用计算模型进行挠度、应力计算时不考虑内衬对管道整体刚度增强的有益作用，但仍旧考虑内衬重量对悬出部分管道的载荷作用。

（1）计算模型的原理。

①确定悬出部分管道的颠簸加速度，通过加速度值换算为计算模型中的均布载荷值q。②通过悬臂梁计算模型，计算悬出部分管道的金属本体的最大挠度Y，由于管道金属本体与内衬会同步挠曲，因此，内衬的最大挠度即为金属本体的最大挠度。③鉴于作用在管道上的弯矩为对管道金属本体和内衬上的综合弯矩，而单独计算内衬所承受的弯矩较难计算，为简化计算方法，通过内衬的最大挠度值Y，反推出内衬单独承受的名义均布载荷qc及名义最大弯矩Mc。④在悬臂梁模型中，最大弯折应力的位置位于管道顶部，且位于悬臂梁的固定位置处，因此，通过内衬的最大弯矩Mc推导出内衬在顶部受到的弯折应力σcc。⑤通过一系列水泥砂浆样条的弯折试验，确定内衬允许抗折强度σccmax。⑥鉴于内衬的抗折强度值σccmax为破坏判据，对于内衬材料，一般在破坏之前会有微裂纹先产生，然后，随着载荷的增大，微裂纹逐渐扩展，最终导致破坏[3]，虽然球管标准中允许一定宽度和深度的内衬裂纹存在，但其微裂纹产生的弯曲应力值由于制造条件的差异而存在较大差距，无法进行定量计算和取值，因此，设定2 倍安全系数，得到许用抗折强度[σcc]=σccmax/2。⑦根据计算所得的实际最大弯折应力σcc与[σcc]，进行比较验算，并作为内衬是否破坏的安全判据。

（2）计算公式。

①计算悬出管道的均布载荷q。

式（1）中，Mlg、Mnc分别为裸管、内衬的每米重量，单位：N/m；N为重力加速度的倍数；g为重力加速度，9.8 m/s2。

②计算悬出管道最远端的挠度Y。

式（2）中，q为均布在悬出管道的载荷，单位：N/m；Lh为悬出管道的长度，单位：m；Elg为裸管的弹性模量，170 GPa；Ilg为裸管的截面惯性矩，单位：m4。

③计算内衬的名义均布载荷qc及名义最大弯矩Mc。

式（3）中，Enc为内衬的弹性模量，30GPa；Inc为内衬的截面惯性矩，单位：m4。

④计算内衬在顶部受到的弯折应力σcc。

式（5）中，W为内衬的抗弯模量，单位：m3。

2 相关参数的确定及计算

2.1 重力加速度的倍数N的确定

文献[4]使用加速度传感器平台测试法，对新能源汽车电机控制器在汽车颠簸、振动冲击下的疲劳耐久性进行了分析研究，《GB/T 2423.5-2019，环境试验第2部分：试验方法试验Ea和导则：冲击》标准提供了确定样品经受规定严酷度的非重复或重复冲击能力的标准程序，在某些情况下，该标准中的冲击试验也可以用来确定样品的结构完好性，或作为质量控制的手段，该试验主要针对不带包装样品，以及在运输条件下其包装可看作产品本身一部分的样品。如果不带包装物品进行试验，将之归于受试样品[5]。

结合上述标准的相关描述，该文所讨论的部分悬空管道的运输可以看作冲击试验的类似工况，并通过试验严酷度等级表，确定了最大冲击加速度值，具体见表1。

表1 应用于各种场合的试验严酷度等级的典型示例（原文表A.2部分摘抄）

通过表格中的描述，该文所述对象与250 m/s2的试验严酷等级的情况最为接近，即物品在运输工具上有相对安全的固定，且运输工具可能会遇到野外较为崎岖的越野路况，近似于越野重型车的条件，但根据表格中注解，对于100 kg 以上的样品，通常采用100 m/s2的试验严酷等级，因此该计算模型中将进行100 m/s2和250 m/s2两种严酷等级的计算，并进行比较。

2.2 σccmax及[σcc]的确定

内衬的抗折强度，根据试验数据，实际测试出的抗折强度在7 MPa 左右，即在弯矩作用下的最大弯折应力强度达到7 MPa 左右的时候，标准的内衬条发生断裂破坏，这也符合万谨在《聚合物改性水泥砂浆力学性能的研究》中进行的基准水泥砂浆抗折强度试验情况[6]。

因此，抗折强度σccmax=7 MPa；许用抗折强度[σcc]=3.5 MPa；其他计算参数计算较为简便，不再赘述。

3 结果的分析

根据GB/T 13295-2008 及GB/T 17457 两个标准进行计算相关的产品尺寸参数确定，为保险起见，采用较为保守的参数确定原则，即管道金属本体的壁厚取K9级别最小值，内衬厚度取公称值，通过计算，得到以下计算结果，如表2所示。

表2 计算结果（单位：MPa）

4 结语

综上所述，在管道悬出部分长度时，在100 m/s2加速度的颠簸模拟工况下，只有DN1100规格铸管在悬出长度为4 m 时，内衬的弯曲应力超过3.5 MPa，具有一定的破坏风险，而在250 m/s2加速度的颠簸模拟工况下，部分规格在不同悬出长度下出现弯折应力已经超过7 MPa 的情况，导致内衬损坏情况出现，另外，处于3.5～7 MPa 区间的情况，也具有一定的破坏风险。

很明显，当冲击加速度由100 m/s2增加至250 m/s2时，出现内衬损坏风险的管道规格数量大幅增加，因此,在实际运输过程中，首先，要对管道的绑扎约束质量进行控制，保证稳定可靠的约束，用来限制承受冲击时可能发生的由于约束力不够导致的额外振动，同时，要合理控制运输速度，由于很多铸管的运输目的地为荒野地带，难免遇到崎岖道路，此时更要减慢速度，选择合适的路线，控制颠簸程度，保证产品运输的安全性。