滕 达，王 瑞，孔凯鹏

(河南能源化工集团 重型装备有限公司，河南 开封 475000)

随着智能化、高产高效综采工作面的推广，远程供液系统的应用越来越广泛，远程供液系统能够提高高压介质输送的安全性，减少回采顺槽内的设备配置，相比传统的高压胶管，沟槽卡箍式钢制管路连接结构的推广和应用能够降低远程供液压力的损失及使用成本。

1 整体结构

常用管路管道采用法兰式端面密封结构，金属材质密封圈，根据GB/T9115.2-2010《对焊钢制管法兰》的规定,最高40 MPa压力条件下，公称尺寸DN80钢制法兰外径305 mm，尺寸较大，受井下条件约束，安装困难。

借鉴CJ/T156-2001《沟槽式管接头》的结构型式，体积较小的沟槽式卡箍连接结构，密封采用C型环形密封、单侧双卡槽的结构。密封圈的截面形状为“C”型，和管道接触面依托弹性变形形成初次密封；利用螺栓螺母把卡箍固定后，卡箍压紧密封圈形成二次密封；当管道内充满液体时，液体进入C型腔内，压力作用于密封内侧，使外侧紧贴卡箍和管道外侧端面，形成三次密封。安装时，卡箍两端嵌入管道机加工形成的沟槽，卡箍两侧4条8.8级高强螺栓紧固即完成安装，具体结构见图1.

1—沟槽式卡箍 2—管道 3—高强螺栓 4—C型密封圈

2 材料选用

目前，远程供液多选用d63/76的卡箍式高压胶管作为进回液胶管，对应GB/T 17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》的常用规格型号，管路规格选用外径为89 mm的无缝钢管作为进回液钢管。

卡箍的外形结构不规则，选用铸造件。球磨铸铁组织结构连续，相对应力集中小，力学性能较好，具备耐磨、吸振、低缺口敏感性和切削加工性能好的优点。

管道选用27SiMn材质，规格d89 mm×7 mm;卡箍选用球磨铸铁材质，牌号为QT900-2，具体力学性能见表1.

表1 管道结构件选用材料性能表

3 沟槽管路件的静应力分析

利用SOLIDWORKS软件进行三维建模，并进行静应力分析。

3.1 接触设置

螺栓接触：螺母、螺栓根部表面与沟槽卡箍表面的接触定义为摩擦接触，摩擦系数设置为0.15，螺栓杆体与沟槽卡箍固定孔选用无穿透无摩擦接触。

卡箍接触：两卡箍接触面选择摩擦接触，摩擦系数设置为0.15.卡箍凸台与管道凹槽处设置为接合接触。

3.2 载荷和边界条件

远距离供液系统中乳化液泵站泵压选用31.5 MPa，实际1 500 m回采工作面的压力压降在3 MPa，考虑到大倾角综采工作面远程供液系统压力降，远程供液系统泵站压力选用37.5 MPa，静应力分析中管道环境设计压力选用值为40 MPa.

根据GB/T 20801.5-2020《压力管道规范 工业管道第5部分：检验与试验》中的规定，试验压力选用1.5倍的设计使用压力，定为60 MPa.

承压试验时，管道两侧进行盲板密封，并进行固定，限制管道件的轴向位移。

位移边界条件和载荷见图2.

图2 位移边界条件及载荷图

3.3 应力结果分析

根据标准要求，选用第三强度理论对管道结构进行应力分析，分析结果见图3.

图3 60 MPa压力下管道应力云图及最大应力位置图

根据应力云图显示，最大应力出现在管道沟槽处，且在对半卡箍对称面位置，应力值为656 MPa，管道屈服应力为835 MPa，满足1.5倍设计使用压力的强度要求。

卡箍在压力加载过程中，内壁受到压力，卡槽处受到管道膨胀的挤压应力，具体应力显示见图4.

图4 60 MPa压力下沟槽卡箍应力云图及最大应力位置图

根据卡箍应力云图显示，最大应力出现在对半卡箍接触面位置的卡槽凸台处，应力值为492.7 MPa，卡箍屈服强度为600 MPa，满足1.5倍设计使用压力的强度要求。

4 沟槽管路件的疲劳应力分析

综采工作面液压支架在采煤机割煤后进行拉架，拉架到位后升立柱，进行顶板支护，支架立柱下腔压力达到额定泵压，支架才能达到初撑力，这里取设计使用压力40 MPa作为加载应力，支架升柱接顶后，不再动作，乳化液泵恢复初始供液压力，这里简化供液管道压力为0.综采工作面支架随着工作面的循环推进，反复支撑顶板，使管道压力达到设计使用压力40 MPa，管道处于频繁的加载和卸载压力循环过程中，造成出现疲劳应力，有必要进行疲劳应力分析。

4.1 40 MPa压力下的管路件的应力值

利用管路件三维模型进行40 MPa压力加载，得出管道件最大应力为437 MPa，沟槽卡箍的最大应力为329 MPa，具体应力位置见图5.

图5 卡箍结构处应力云图及最大应力位置图

4.2 材料疲劳极限值

1)27SiMn的疲劳极限值。

碳钢和合金钢的对称弯曲疲劳极限σ-1一般可以用下面型式的近似公式计算：

σ-1=a+bσb

对σb<1 400 MPa的碳钢和合金钢，推荐使用如下的关系式：

σ-1=38 MPa+0.43σb

根据表1，27SiMn的极限抗拉强度取980 MPa，带入上式得出交变载荷下材料的疲劳极限强度为459.4 MPa.

2)QT900-2球磨铸铁的疲劳极限值。

根据《抗疲劳设计手册》中表2.2“常用国产机械工程材料的旋转弯曲疲劳极限和疲劳比”数据可以查出，QT800-2球磨铸铁的疲劳极限(N=107周次)为352 MPa，疲劳比为0.42.随着抗拉强度的提高，疲劳极限值也会提高，说明QT900-2的疲劳极限值不低于QT800-2，即≥352 MPa.

4.3 疲劳分析

根据手册计算和查找的疲劳极限值，27SiMn和QT900-2球磨铸铁的疲劳极限值均大于管路件40 MPa下的应力分析值，具备抗疲劳应力强、安全系数高的力学性能。

5 结 语

沟槽式卡箍及管件的使用，可以简化安装步骤，提高安装效率，同时便于维护和拆卸。通过分析证明，应力集中位置位于卡箍内侧尖角位置和相对应管道加工槽底面。沟槽式卡箍连接结构能够满足高压远距离供液系统的使用，具有高可靠性。实际生产加工过程中，做好原材料规格检验，避免出现原材料厚壁超差和加工尺寸超差，降低管道使用寿命。