大口徑高溫水直埋管道溫度應力控制方法

大口徑高溫水直埋管道溫度應力控制方法摘要：本文針對大口徑高溫水直埋管道管壁局部屈曲的危險性，重點研究了控制管道溫度應力的方法，總結了大口徑高溫水直埋管道的設計要點。關鍵詞：大口徑高溫水直埋管道局部屈曲溫度應力控制1大口徑高溫水直埋管道管壁的局部屈曲直埋管道可能出現(xiàn)的失效方式包括強度失效和穩(wěn)定失效兩個方面。強度失效包括內壓和持續(xù)外荷載引起的一次應力產(chǎn)生的塑性流動、溫度變化引起的二次應力產(chǎn)生的循環(huán)塑性變形和在溫度變化過程中由于應力集中在彎頭、折角、大小頭、三通等管件處引起的峰值應力產(chǎn)生的疲勞破壞。此外，當管網(wǎng)系統(tǒng)中設有閥門時，溫升軸向力也可引起閥門的失效。從整個管線看，管道屬于桿件；從管道局部看，管道屬于薄壁殼體。當熱力管道處于受壓狀態(tài)時，將可能出現(xiàn)整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)。當管道管徑不大于DN500時，管道只會出現(xiàn)無限塑性流動、循環(huán)塑性變形、疲勞破壞和整體失穩(wěn)，而不會有其它方式的破壞出現(xiàn)，文獻［1］給出了防止相應方式破壞出現(xiàn)的強度條件和穩(wěn)定條件。國內熱網(wǎng)工程實踐證明，當上述條件得到滿足時，DN500以下的管道將處于安全狀態(tài)。當管道管徑大于DN500時，除上述破壞方式外，管道局部屈曲（見圖1）出現(xiàn)的概率將大大增加，其直接因素是溫差作用下管道的軸向應力：△z=￡E=aEAt（1）根據(jù)經(jīng)典的彈性穩(wěn)定理論，文獻［2］提出直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界應力為：［z］=0.0625E（2）由上述條件可知，管壁局部屈曲的可能性與管道的截面特性有關，當軸向應變一定時，管道的直徑越大，局部屈曲的可能性也越大，而管道的壁厚越大，局部屈曲的可能性越小。對大口徑管道，當管徑和壁厚一定時，局部屈曲的可能性與其承受的軸向應變成正比，即與軸向應力成正比。而軸向應力主要取決于溫度應力。為降低局部屈曲的可能性，必須對溫度應力進行控制。2影響直埋管道溫度應力的因素直埋供熱管道的溫度應力取決于溫度變化產(chǎn)生的熱脹冷縮變形的大小和變形的釋放程度。熱脹冷縮變形大小與溫度變化有關，直埋管道中的溫度變化可用圖2簡化模型表示。T1:管道工作循環(huán)最高溫度，取用室外供暖計算溫度下的熱網(wǎng)設計供水溫度。T2:管道工作循環(huán)最低溫度，供暖期運行時取10°C。T0:管道整體焊接溫度，冷安裝取環(huán)境溫度Te；預應力安裝取預熱溫度Tp。管道熱脹冷縮變形的釋放取決于管段中是否設置補償裝置以及所計算的管道是否在補償裝置的補償范圍內。由于土壤摩擦力對管道的約束作用，管道中將存在錨固段和滑動段。補償裝置對滑動段內管道的熱脹變形起到了補償作用，使溫度應力得到一定程度的釋放；而由于補償裝置對錨固段管道的熱脹冷縮變形起不到補償作用，熱脹冷縮變形全部轉化成溫度應力。如圖3所示。3直埋管道溫度應力控制方法3.1無補償冷安裝無補償冷安裝是一項最簡單的安裝技術，管道在覆土前不預熱。以圖4（見下頁）為例，管道在首次加熱、冷卻和再次加熱的過程中經(jīng)歷的最大溫度循環(huán)過程如下：1、在管道敷土后加熱管道至130C時，管道端點將移動0120。2、在管道冷卻至敷設溫度10C時，錨固段的壓應力將重新恢復為零。管道的自由端將反向移動，使摩擦力的方向改變。當正反兩部分摩擦力達到平衡狀態(tài)時，移動將停止，從圖4可以看出，這將產(chǎn)生局部應力（拉應力），其大小等于加熱時壓應力的一半。3、管道再次加熱到110C時，管道自由端將移動。=（1/2）0120，返回首次加熱的位置。對于循環(huán)溫度10C-130C-70C-10C-60C-130C，相對于10C的初始位置，管道的位移見下表。在位移為0=6120的首次加熱(過程1到過程2)后，對于以后的所有最大溫度循環(huán)過程，位移都為6=±(1/4)6120。錨固段管道的最大壓應力與最大溫度變化成正比：因此管壁局部屈曲的危險限定了冷安裝的溫度上限，只有在低于一定溫度條件下采用冷安裝才是安全的。3.2敞開式預熱安裝在覆土前，管道可以進行敞開式預熱。由于沒有土壤摩擦力，管道的熱脹變形可以提前釋放，預熱溫度為管段內平均應力為零時的溫度，該溫度稱為循環(huán)中間溫度，以Tm表示。Tm=(3)預熱管道的位移量6按下式計算6=a(Tm—Ti)Lpr(4)式：Ti——預熱管段初始應力為零時的管道溫度(°C)；Lpr預熱管段長度(m)管道被加熱到預熱溫度時覆土后再冷卻，使管道達到一定的平均應力水平。在首次運行加熱移動后，其管端的位移與冷安裝的位移大致相同，但避免了冷安裝在首次移動時的較大位移。圖5給出了一個敞開預熱的例子，設T1=130C，T2=10C，則Tm==70C。對于循環(huán)溫度10C-70C-10C-70C-130C，相對于70C的初始位置，管道位移如下表所示：對于預熱(從過程1到過程2)后的所有最大溫度循環(huán)過程，位移都為6=±660=±(1/4)6120，其中，6120為冷安裝時的最大位移(見圖5)。錨固段管道的最大壓應力與最大溫度變化之半成正比：△z=±aE因此，與冷安裝相比，管壁局部屈曲的危險性降低了，有利于大口徑高溫水管道直埋敷設。3.3采用一次性補償器覆土后預熱這種方法是在管道的直段部分，按計算的間距分段安裝一次性補償器，并僅在補償器附近的溝槽處敞口，其余溝槽回填。一次性補償器的補償量在預熱前調整為設計值，當管道首次加熱使補償器的伸長量到位后將一次性補償器焊接為整體，管道的熱脹變形得到了提前釋放，在此以后，管道就相當于前面所介紹的預熱系統(tǒng)。覆土后預熱的管段初運行時，工作循環(huán)最高溫度下壓應力和工作循環(huán)最低溫度下的拉應力按下式計算:1、一次性補償器處：壓應力6c1=Ea(T1—Tdp)(5)拉應力6d1=Ea(Tdb—T2)(6)2、管段與一次性補償器相對應的另一端：壓應力6c2=Ea[T1—Tdp]+FLc/A(7)拉應力6d2=Ea(Tdp—T2)—FLc/A(8)3、管段內應力均布后，最大壓應力和最大拉應力應按下列公式計算：最大壓應力6c.max=Ea[T1—Tm)](9)最大拉應力6d.max=Ea[Tm—T2)](10)式中：Tdp——計算管段的預熱溫度(C)Tdp=Tm+X10—6(11)Lc——一次性補償器到固定點或駐點的距離，即管道的分段長度：LcWX10—6(12)Tp.max最高預熱溫度(C)，Tp.max應取小于或等于T1；F——預熱段土壤對管道的摩擦力(N/m)由于土壤摩擦力的作用，在兩個一次性補償器之間的局部應力，將高于補償器處的應力，然而，由于系統(tǒng)溫度的變化，在多次變化以后，應力將均勻一致。如圖6所示。與冷安裝相比，在最大溫度循環(huán)過程中，管道的應力水平下降接近一半，因此管壁屈曲的危險性降低了；與敞開式預熱相比，兩者的效果是一致的，不同之處是一次性補償器安裝技術避免了敞口預熱對周圍環(huán)境的不利影響，不需要臨時熱源，但增加了補償器的費用。3.4采用補償彎管或補償器如果要求軸向應力值低于敞開式預熱或一次性補償器所形成的應力值，或者沒有條件采用上述方法控制軸向應力，那么，可以在管道上采用補償彎管（如圖7所示），或者采用補償器（如圖8所示）。如果采用L型彎管、Z型彎管或U型彎管作為補償裝置，使管道長度增加，也增加了建設費用、熱損失和水泵電耗，且有時候因占地大而無法實施，這對于大口徑管尤為突出。因此除管道定線形成的自然走向外，應盡可能的采用補償器。如果采用補償器，兩補償器中間點（即駐點）到兩補償器之間的管道的摩擦力理論上大小相等，可以利用駐點自平衡采用有補償無次固定支墩設計（如圖9所示），但由于摩擦力實際上的不均勻性，推薦采用具有強力限位裝置的補償器，防止補償器受到管道單側不均勻膨脹變形而損壞。此外，也可在兩補償器之間設次固定支墩來保護補償器（如圖10所示），但施工難度和基建費用要相應增加。管道系統(tǒng)安裝補償裝置時，由于管道熱脹變形在熱態(tài)運行中得到了釋放，避免了部分管線被完全錨固，因此，管道中的壓應力保持在較低水平上，管壁局部屈曲的危險性最小。4直埋管道溫度應力控制方法的綜合比較上述各種溫度應力控制方法的優(yōu)缺點綜合比較如下：5結論本文通過對影響直埋管道溫度應力的因素分析，對控制溫度應力、降低管壁局部屈曲危險性的方法進行了綜合分析比較。本文認為，對大口徑高溫水管道，應積極地采用冷安裝方式。如果不能滿足冷安裝的條件，則應采用敞開式預熱或一次性補償器覆土預熱。對于敷設在郊外允許較長時間敞溝且臨時熱源比較方便時，應優(yōu)先選用敞開式預熱。對城市街道中心的管道，采用一次性補償器是合適的。有補償敷設增加了額外的補償器和固定墩的費用，且管網(wǎng)維護工作量大，只有在安裝條件不具備或對管道安全有特殊要求時才采用。參考文獻中華人民共和國