第15章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算課件

第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算

第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算1§15-1概述

供熱管道應(yīng)力計(jì)算的任務(wù)是計(jì)算供熱管道由內(nèi)壓力、外部荷載和熱脹冷縮引起的力、力矩和應(yīng)力，從而確定管道的結(jié)構(gòu)尺寸，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施，保證設(shè)計(jì)的供熱管道安全可靠并盡可能經(jīng)濟(jì)合理。進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，主要考慮下列荷載所引起的應(yīng)力：1.由于管道內(nèi)的流體壓力（簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)壓力）作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。2.由于外載負(fù)荷作用在管道上所產(chǎn)生的應(yīng)力。外載負(fù)荷主要是管道自重（管子、流體和保溫結(jié)構(gòu)的重量）和風(fēng)雪載荷（對(duì)室外管道）。3.由于供熱管道熱脹冷縮所產(chǎn)生的應(yīng)力。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-1概述供熱管道應(yīng)力計(jì)算的任務(wù)是計(jì)算供熱管2§15-1概述

根據(jù)危害程度的不同分一次應(yīng)力二次應(yīng)力峰值應(yīng)力管道應(yīng)力計(jì)算的主要項(xiàng)目1.選定或校核鋼管壁厚；2.確定活動(dòng)支座的最大允許間距。3.分析固定支座受力情況，計(jì)算其受力大?。?.計(jì)算供熱管道的熱伸長(zhǎng)量，確定補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)尺寸及其彈性力等。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-1概述根據(jù)危害程一次應(yīng)力二次應(yīng)力峰值應(yīng)力管道應(yīng)3§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

一、管壁厚度的確定供熱管道的內(nèi)壓力為一次應(yīng)力，承受內(nèi)壓力的最小壁厚Sm的計(jì)算：按直管外徑確定時(shí):按直管內(nèi)徑確定時(shí):第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定一、管壁厚度的確4§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 ——直管的最小壁厚,mm; p——設(shè)計(jì)壓力,指管道運(yùn)行中內(nèi)部介質(zhì)最大工作壓力。

對(duì)于水管道，設(shè)計(jì)壓力的取用，應(yīng)包括水柱靜壓的

影響，當(dāng)其低于額定壓力的3℅時(shí)，可不考慮。MPa; ——管子外徑,mm; ——管子內(nèi)徑,mm; ——鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力,MPa; Y——溫度對(duì)計(jì)算管子壁厚公式的修正系數(shù); a——考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加厚度,mm; ——許用應(yīng)力的修正系數(shù)。式中第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 5§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 取用哪種公式計(jì)算與所選管子的生產(chǎn)工藝有關(guān)。對(duì)于無(wú)縫鋼管，當(dāng)采用熱軋生產(chǎn)控制外徑時(shí)，可按外徑公式確定最小壁厚；當(dāng)采用鍛制生產(chǎn)或擠壓生產(chǎn)控制內(nèi)徑時(shí)，可按內(nèi)徑公式確定最小壁厚。對(duì)于有縱縫焊接鋼管和螺旋焊縫鋼管，亦按管子外徑公式確定最小壁厚。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 取用哪種公式計(jì)算6§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

直管計(jì)算壁厚Sc應(yīng)按下列方法確定:式中c———直管壁厚負(fù)偏差的附加值,mm；如已知管壁厚度，進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，由內(nèi)壓力產(chǎn)生的折算應(yīng)力不得大于鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，即:第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 直管計(jì)算壁厚7§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

式中——內(nèi)壓折算應(yīng)力，MPa；——管子最小實(shí)測(cè)壁厚，mm；二、管道支吊架的跨距的計(jì)算在確保安全運(yùn)行的前提下，應(yīng)盡可能擴(kuò)大管道支吊架的跨距，以節(jié)約供熱管線的投資費(fèi)用。管道支吊架的最大跨距(允許跨距)，通常按強(qiáng)度條件和剛度條件來(lái)確定。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定式中——內(nèi)壓8§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

（一）按強(qiáng)度條件確定管道支吊架允許跨距供熱管道支承在支吊架上，管道斷面承受由內(nèi)壓和持續(xù)外載產(chǎn)生的一次應(yīng)力。根據(jù)《技術(shù)規(guī)定》，管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓和持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和，同樣不應(yīng)大于鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力值。 由于支承在多個(gè)支吊架的管道，可視為多跨梁。根據(jù)材料力學(xué)中均勻載荷的多跨梁，其彎矩如圖15-1所示。最大彎矩出現(xiàn)在活動(dòng)支座處。根據(jù)分析，均勻載荷所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，比由于內(nèi)壓和持續(xù)外載所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力大得多。為了計(jì)算方便，本書(shū)第三版在確定支吊架跨距時(shí)只計(jì)算由均勻荷載所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，而采用一個(gè)降低了的許用應(yīng)力值（稱(chēng)為許用外載綜合應(yīng)力），管道自重彎曲應(yīng)力不超過(guò)管材的許用外載綜合應(yīng)力值,以保證管道的安全。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 （一）按強(qiáng)度條9§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定圖15-1多跨距供熱管道彎矩圖1--管線按最大角度不大于管線坡度條件下的變形線；圖15-2活動(dòng)支座間供熱管道變形示意圖2--管線按允許最大撓度ymax條件下的變形線第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定圖15-1多跨距10§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 在供熱管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于連續(xù)敷設(shè),均布載荷的水平直管,支吊架最大允許跨距大多采用下列公式計(jì)算：式中Lmax——管道支吊架最大允許跨距，M；q——管道單位長(zhǎng)度計(jì)算載荷，N/m,q=管材重+保溫重+附加重；w——管道斷面抗彎矩，cm3； ——管道橫向焊縫系數(shù)，見(jiàn)表15-2;[σ]t——鋼管熱態(tài)許用應(yīng)力，MPa，按附錄15-1確定。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 在供熱管網(wǎng)工程設(shè)11§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

對(duì)于地下敷設(shè)和室內(nèi)的供熱管道，外載荷重是管道的重量（對(duì)蒸汽管包括管子荷保溫結(jié)構(gòu)的重量，對(duì)水管還要加上水的重量）。對(duì)于室外架空敷設(shè)的供熱管道，q值還應(yīng)該考慮風(fēng)載荷的影響。（二）按剛度條件確定管道支吊架允許跨距管道在一定的跨距下總有一定的撓度。根據(jù)對(duì)撓度的限制而確定支吊架的允許間距，稱(chēng)為按剛度條件確定的支吊架允許跨距。

對(duì)具有一定坡度i的管道，如要求管道撓曲時(shí)不出現(xiàn)反坡，以防止最低點(diǎn)處積水排不出或避免在蒸汽管道啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生水擊，就要保證管道撓曲后產(chǎn)生的最大角應(yīng)變不大于管道的坡度（見(jiàn)圖15-2管線1所示）。管道在一定跨距下總有一定的撓度,由管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度不應(yīng)超過(guò)支吊架跨距的0.005(當(dāng)輸水,放水坡度i=0.002時(shí))。對(duì)于連續(xù)敷設(shè)均布載荷的水平直管支吊架最大允許跨距，供熱工程中大多按下列公式計(jì)算：第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定對(duì)12§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

式中q——管道單位長(zhǎng)度計(jì)算載荷，N/m，q=管材重+保溫重+附加重；Et——在計(jì)算溫度下鋼材彈性模量，MPa；I——管道截面二次距，cm4

；io——管道放水坡度,io≥0.002。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定式中13§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 在不通行地溝中，供熱管道支吊架的跨距宜采用比最大允許間距小一些的間距。因考慮無(wú)法檢修而當(dāng)個(gè)別支架下沉?xí)r，會(huì)使彎曲應(yīng)力增大，從安全角度考慮，宜縮短些間距。 對(duì)架空敷設(shè)管道，為了擴(kuò)大支吊架的跨距，可采用基本允許應(yīng)力較高的鋼號(hào)制作鋼管或在供熱管道上部加肋板以提高其剛度。 水平90℃彎管兩支吊架間的管道展開(kāi)長(zhǎng)度,不應(yīng)大于水平直管段上支吊架最大允許跨距的0.73倍;直管盲端兩支吊架間的管道長(zhǎng)度,不應(yīng)大于水平直管段上支吊架最大允許跨距的0.81倍。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 在不14§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

供熱管道安裝投運(yùn)后，由于管道被熱媒加熱引起管道受熱伸長(zhǎng)。管道受熱的自由伸長(zhǎng)量，可按下式計(jì)算：式中

——管道的熱伸長(zhǎng)量，m；——管道的線膨脹系數(shù)(見(jiàn)附錄15—1)，一般可取m／m·℃；——管壁最高溫度，可取熱媒的最高溫，℃；——管道安裝時(shí)的溫度，在溫度不能確定時(shí)，可取為最冷月平均溫度，℃；——計(jì)算管段的長(zhǎng)度，m。如前所述，在供熱管網(wǎng)中設(shè)置固定支架，并在固定支架之間設(shè)置各種形式的補(bǔ)償器，如自然補(bǔ)償器、套管式、波紋管、方形或球形補(bǔ)償器等，其目的在于補(bǔ)償該管段的熱伸長(zhǎng)，從而減弱或消除因熱脹冷縮力所產(chǎn)生的應(yīng)力。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償供熱管道安裝15§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

各種補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)型式及其優(yōu)缺點(diǎn)已在第十三章述及。下面就幾種補(bǔ)償器的受力分析和應(yīng)力驗(yàn)算問(wèn)題，予以簡(jiǎn)要的介紹。一方形補(bǔ)償器方形補(bǔ)償器是應(yīng)用很普遍的供熱管道補(bǔ)償器。進(jìn)行管道的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，通常需要確定：1．方形補(bǔ)償器所補(bǔ)償?shù)纳扉L(zhǎng)量2．選擇方形補(bǔ)償器的形式和幾何尺寸；3．根據(jù)方形補(bǔ)償器的幾何尺寸和熱伸長(zhǎng)量，進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。驗(yàn)算最不利斷面上的應(yīng)力不超過(guò)規(guī)定的許用應(yīng)力范圍，并計(jì)算方形補(bǔ)償器的彈性力，從而確定對(duì)固定支座產(chǎn)生的水平推力的大小。根據(jù)《技術(shù)規(guī)定》，管道由熱脹、冷縮和其它位移受約束而產(chǎn)生的熱脹二次應(yīng)力，不得大于按下式計(jì)算的許用應(yīng)力值。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償16§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

式中——鋼材在20℃時(shí)的基本許用應(yīng)力(見(jiàn)附錄15—1)，MPa；——鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力(見(jiàn)附錄15—1)，MPa；——熱脹二次應(yīng)力，取補(bǔ)償器危險(xiǎn)斷面的應(yīng)力值，MPa如供熱管道鋼號(hào)采用號(hào)鋼，工作溫度為200℃時(shí)，則熱脹二次應(yīng)力應(yīng)不大于：驗(yàn)算補(bǔ)償器應(yīng)力時(shí)，采用較高的許用應(yīng)力值，是基于熱膨脹應(yīng)力屬于二次應(yīng)力范疇。利用上述應(yīng)力分類(lèi)法，充分考慮發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力.第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償式中——鋼材在20℃17§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

圖15-3光滑彎管方形補(bǔ)償器計(jì)算圖第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償圖15-3光滑彎管方18§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償二自然補(bǔ)償管段常見(jiàn)的自然補(bǔ)償管段的形式有：L型，Z型和直角彎的自然補(bǔ)償管段．它的受力和熱伸長(zhǎng)后的變形示意圖可見(jiàn)圖15-4所示：圖15-4

常見(jiàn)的自然補(bǔ)償管段的受力及變形示意圖(a)L型自然補(bǔ)償管段；(b)直角彎自然補(bǔ)償管段；(c)Z型自然補(bǔ)償管段Lch——長(zhǎng)臂；LD——短臂；L——中間臂第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償二自然補(bǔ)償管段常見(jiàn)的19§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償在自然補(bǔ)償管段受熱變形時(shí)，與方形補(bǔ)償器的不同點(diǎn)，在于直管段都分有橫向位移，因而作用在固定支點(diǎn)上有兩個(gè)方向的彈性力（和，見(jiàn)圖15-4）．此外，一切自然補(bǔ)償管段理論計(jì)算公式，都是基于管路可以自由橫向位移的假設(shè)條件計(jì)算得出的．但實(shí)際上，由于存在著活動(dòng)支座，它妨礙著管路的橫向位移，而使管路的應(yīng)力會(huì)大．因此，采用自然補(bǔ)償管段補(bǔ)償熱伸長(zhǎng)時(shí)，其各臂長(zhǎng)度不宜采用過(guò)大數(shù)值，其自由臂長(zhǎng)不宜大30m．同時(shí)，短臂過(guò)短（或長(zhǎng)臂與短臂之比過(guò)大），短臂固定支座的應(yīng)力會(huì)超過(guò)許用應(yīng)力值．通常在設(shè)計(jì)手冊(cè)中，常給出限定短臂的最短長(zhǎng)度．第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償在自然補(bǔ)償管段受20§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

三、套筒（管）式補(bǔ)償器

套筒補(bǔ)償器應(yīng)設(shè)置在直線管段上，以補(bǔ)償兩個(gè)固定支座之間管道的熱伸長(zhǎng)套筒補(bǔ)償器的最大補(bǔ)償量，可從產(chǎn)品樣本上查出?？紤]到管道安裝后可能達(dá)到的最低溫度，會(huì)低于補(bǔ)償器安裝時(shí)的溫度，補(bǔ)償器產(chǎn)生冷縮。因此，兩個(gè)固定支座之間被補(bǔ)償管段的長(zhǎng)度，應(yīng)有下式計(jì)算確定：式中——套筒行程（即最大補(bǔ)償能力），m；——考慮管道可能冷卻的安裝裕度，mm；——鋼管的線膨脹系數(shù)，通常取——供熱管道的最高溫度，℃——補(bǔ)償安裝時(shí)的溫度，℃——熱力管道安裝后可達(dá)到的最低溫度，℃第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償三、套筒（管）式補(bǔ)償器21§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償 套筒補(bǔ)償器伸縮過(guò)程中的摩擦力，理論上應(yīng)分別按拉緊螺栓產(chǎn)生的摩擦力或由內(nèi)壓力產(chǎn)生的摩擦力兩種情況進(jìn)行計(jì)算。算出其數(shù)值后取較大值，但往往缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，工程實(shí)際中摩擦力由產(chǎn)品樣本提供。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償 套筒補(bǔ)償器伸縮過(guò)程中的摩22§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

四、波紋管補(bǔ)償器波紋管補(bǔ)償器按補(bǔ)償方式區(qū)分，有軸向、橫向及鉸接等型式。在供熱管道上軸向補(bǔ)償器應(yīng)用最廣，用以補(bǔ)償直線管段的熱伸長(zhǎng)量。軸向補(bǔ)償器的最大補(bǔ)償能力，同樣可從產(chǎn)品樣本上查出選用。軸向波紋管補(bǔ)償器受熱膨脹時(shí)，由于位移產(chǎn)生彈性力，可按下式計(jì)算：式中——波紋管補(bǔ)償器的軸向位移，cm；——波紋管補(bǔ)償器的軸向剛度，N/cm；可從產(chǎn)品樣本中查出；通常，在安裝時(shí)將補(bǔ)償器進(jìn)行預(yù)拉伸一半，以減少其彈性力。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償四、波紋管補(bǔ)償器23§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

此外，管道內(nèi)壓力作用在波紋管環(huán)面所產(chǎn)生的推力，可近似按下式計(jì)算：式中——管道內(nèi)壓力，Pa；——有效面積，m2，近似以波紋半波高為直徑計(jì)算出的圓面積，同樣可從產(chǎn)品樣板中查出。為使軸向波紋管補(bǔ)償器嚴(yán)格按管線軸線熱脹或冷縮，補(bǔ)償器應(yīng)靠近一個(gè)固定支座（架）設(shè)置，并設(shè)置導(dǎo)向支座，導(dǎo)向支座宜采用整體箍住管子的型式，以控制橫向位移和防止管子縱向變形。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償此外，管道內(nèi)壓力作用在波24§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算

供熱管道上設(shè)置固定支座（架），其目的是限制管道軸向位移，將管道分為若干管段，分別進(jìn)行熱補(bǔ)償，從而保證各個(gè)補(bǔ)償器的正常工作固定支座（架）是供熱管道中主要的受力構(gòu)件，為了節(jié)約投資，應(yīng)盡可能加大固定支座（架）的間距，減少數(shù)目，但其間距必須滿(mǎn)足下列條件：1.管段的熱伸長(zhǎng)量不得超過(guò)補(bǔ)償器所允許的補(bǔ)償量；2.管段因膨脹和其它作用而產(chǎn)生的推力，不得超過(guò)固定支座（架）所能承受的允許推力；3.不應(yīng)使管道產(chǎn)生縱向彎曲；根據(jù)這些條件并結(jié)合設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，固定支座（架）的最大間距，不宜超過(guò)附錄15-5所列的數(shù)值第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算25§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算

固定支座所受到的水平推力，是有下列幾方面產(chǎn)生的：1.由于活動(dòng)支座上的摩擦力而產(chǎn)生的水平推力，可按下式計(jì)算：式中——計(jì)算管段單位長(zhǎng)度的自體載荷，N/m，——摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼，——管段計(jì)算長(zhǎng)度，m。2.由于彎管補(bǔ)償器或波紋管補(bǔ)償器的彈性力，或由于套筒補(bǔ)償器摩擦力而產(chǎn)生的水平推力。3.由于不平衡內(nèi)壓力而產(chǎn)生的水平推力。如在固定支座（架）兩端管段設(shè)置套筒或波紋管補(bǔ)償器，但其管徑不同；或在固定支座（架）兩端管段之一端設(shè)置閥門(mén)、堵板、彎管，而在另一管段設(shè)置套筒或者波紋管補(bǔ)償器；當(dāng)管道水壓試驗(yàn)和運(yùn)行時(shí)，將出現(xiàn)管道的不平衡軸向力。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算固定支座所受26§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算

（一）當(dāng)固定支座（架）設(shè)置在兩個(gè)不同管徑之間，不平衡軸向力，按下式計(jì)算：式中——不平衡軸向力，N；——介質(zhì)的工作壓力，Pa；——計(jì)算截面積，m2。（二）當(dāng)固定支架設(shè)置在有堵板的端頭、或有彎管以及閥門(mén)的管段和設(shè)有套筒或波紋管補(bǔ)償器管段之間時(shí)，內(nèi)壓力產(chǎn)生的軸向力按下式計(jì)算：在下表15-3、15-4中，列舉出常用的補(bǔ)償器和固定支座的布置形式，并相應(yīng)地列出了固定支座水平推力的計(jì)算公式，一些復(fù)雜的形式，可詳見(jiàn)一些設(shè)計(jì)手冊(cè)。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算（一）當(dāng)固定27

固定支架在兩個(gè)方向的水平推力作用下，確定其計(jì)算水平推力公式時(shí)，考慮了下列幾個(gè)原則：1.對(duì)管道由于溫度變化產(chǎn)生的水平推力（如管道摩擦力，補(bǔ)償器彈力），從安全角度出發(fā)，不按理論合成的水平推力值作為計(jì)算水平推力。2.對(duì)由內(nèi)壓力產(chǎn)生的水平推力，作用在固定支座兩側(cè)的數(shù)值，應(yīng)如實(shí)地計(jì)算其不平衡力，而不作任何折扣計(jì)算。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算固定支架在兩個(gè)方向的水1.對(duì)管道由于28

3.在固定支座（架）兩側(cè)配置閥門(mén)和套筒補(bǔ)償器地情況，如表15-4序號(hào)4所示，需要按可能出現(xiàn)的最不利情況進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于敷設(shè)多根供熱管道的支架，考慮固定支架所承受的水平推力時(shí)，還應(yīng)考慮共架中各管道的相互影響。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算3.在固定支座（架）兩側(cè)配置對(duì)于敷29§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度 整體式保溫結(jié)構(gòu)的直埋敷設(shè)方式分為有補(bǔ)償敷設(shè)和無(wú)補(bǔ)償敷設(shè)。即通過(guò)應(yīng)力驗(yàn)算可以確定某種材質(zhì)的管道在一定的溫差范圍內(nèi)，長(zhǎng)直管線不需要設(shè)置補(bǔ)償器即采用無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)。當(dāng)最高運(yùn)行溫度和循環(huán)最低終溫溫差超過(guò)最大允許溫差后，直埋管道應(yīng)采用有補(bǔ)償敷設(shè)，并需要控制長(zhǎng)直管段的最大允許安裝長(zhǎng)度。因此在直埋管道工程中掌握應(yīng)力驗(yàn)算方法以及最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度是一個(gè)非常重要的概念第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度 整體式保30§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度

直埋敷設(shè)管道如被嵌固時(shí)，管道的熱伸長(zhǎng)完全受阻，管壁的應(yīng)力增大。直埋敷設(shè)管道在受熱狀態(tài)下，管壁單元體上作用著由內(nèi)壓產(chǎn)生的環(huán)向拉應(yīng)力σt、軸向壓應(yīng)力σa和徑向應(yīng)力σr（其值很小，一般忽略不計(jì)），如圖15-5所示。進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算取決于所采用的應(yīng)力分析方法和強(qiáng)度理論。有兩種不同的對(duì)直埋敷設(shè)管道進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算的方法，即：圖15-5嵌固管道在熱狀態(tài)下單元體三向應(yīng)力示意圖第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度 直埋敷設(shè)31§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度 1、按彈性分析法，按第四強(qiáng)度理論—變形能強(qiáng)度理論進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。采用此分析方法，管道只容許在彈性狀態(tài)下運(yùn)行。這是北歐國(guó)家曾經(jīng)普遍采用的一種方法。 2、按彈塑性分析法進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，采用安定性分析原理，按第三強(qiáng)度理論—最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。按此方法計(jì)算，管道容許有限量的塑性變形，管道可在彈塑性狀態(tài)下運(yùn)行。這是北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院等單位的研究成果，并通過(guò)多年的實(shí)踐和修正作為我國(guó)《直埋規(guī)程》規(guī)定的應(yīng)力驗(yàn)算方法。有一些北歐國(guó)家也開(kāi)始使用這種應(yīng)力驗(yàn)算和設(shè)計(jì)方法。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度 1、按彈性32§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度一、最大允許溫差

如前所述，應(yīng)力分類(lèi)法認(rèn)為溫度差引起的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力。管道在升溫?zé)崦涍^(guò)程中，可以允許有限量的塑性變形。認(rèn)為材料進(jìn)入屈服和產(chǎn)生微小變形時(shí)，變形協(xié)調(diào)即得到滿(mǎn)足，變形不會(huì)繼續(xù)發(fā)展。安定性分析原理認(rèn)為，結(jié)構(gòu)某些部分的材料交替地發(fā)生拉、壓屈服，只要壓縮屈服（升溫）和拉伸屈服（冷卻）的總彈性應(yīng)力變化范圍在兩倍屈服極限之內(nèi)，則結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞、仍能安定在彈性狀態(tài)下工作。按照此原理，直埋管道應(yīng)力驗(yàn)算的條件為：——內(nèi)壓、熱脹應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍，MPa；——鋼材在計(jì)算溫度下的屈服極限，MPa。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度一、最大允33§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度 對(duì)于供熱管道常用鋼材，通過(guò)計(jì)算始終有二倍的屈服極限大于3倍許用應(yīng)力，即：，因此用3倍許用應(yīng)力代替二倍的屈服極限，有： （15-29） 式（15-29）為《直埋規(guī)程》規(guī)定的彈塑性應(yīng)力驗(yàn)算條件，和小于二倍的屈服極限相比，更安全、更可靠。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行實(shí)踐，簡(jiǎn)化得到應(yīng)力驗(yàn)算條件為：按照上式可以確定在一定的設(shè)計(jì)壓力下，直埋敷設(shè)供熱管道滿(mǎn)足安定性條件的最大循環(huán)溫差值。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度 對(duì)于供熱管34§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度二、最大允許安裝長(zhǎng)度當(dāng)不能滿(mǎn)足式強(qiáng)度條件時(shí)，長(zhǎng)直管道中不應(yīng)有錨固段存在。此時(shí)，管道允許布置的過(guò)渡段最大長(zhǎng)度應(yīng)加以控制。

從上式左側(cè)可以看出，式右側(cè)是軸向應(yīng)力變化范圍。當(dāng)不滿(mǎn)足強(qiáng)度條件時(shí)，長(zhǎng)直管道不應(yīng)進(jìn)入錨固段，應(yīng)在一定的長(zhǎng)度上安裝補(bǔ)償器，使補(bǔ)償器至固定點(diǎn)管段的最大應(yīng)力滿(mǎn)足強(qiáng)度條件的要求。這種條件下，直埋供熱管道的軸向力應(yīng)該采用被動(dòng)外力計(jì)算，即管道和回填土的摩擦力以及補(bǔ)償器的位移阻力。注意到被動(dòng)外力產(chǎn)生的軸向應(yīng)力等于應(yīng)力變化范圍的一半，管道補(bǔ)償器位移阻力忽略不計(jì)，所以可以改寫(xiě)為：第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度二、最大允許35§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度整理得：由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，摩擦力是隨管道溫度循環(huán)變化的。實(shí)際升溫過(guò)程產(chǎn)生的管長(zhǎng)平均摩擦力小于管道的最大摩擦力?！吨甭褚?guī)程》規(guī)定，當(dāng)摩擦力平均下降到單長(zhǎng)最大摩擦力的80%時(shí)，管道即進(jìn)入安定狀態(tài)。所以，將分母2調(diào)整為1.6，適當(dāng)放大設(shè)計(jì)布置的過(guò)渡段長(zhǎng)度以節(jié)約投資。故改寫(xiě)為：式中

L

——允許布置得過(guò)渡段最大長(zhǎng)度，m；

——直埋管道最大單長(zhǎng)摩擦力，N/m。直埋管道設(shè)計(jì)的有關(guān)內(nèi)容詳見(jiàn)《直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)》，這里不再詳述。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度整理得：由實(shí)36第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算

第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算37§15-1概述

供熱管道應(yīng)力計(jì)算的任務(wù)是計(jì)算供熱管道由內(nèi)壓力、外部荷載和熱脹冷縮引起的力、力矩和應(yīng)力，從而確定管道的結(jié)構(gòu)尺寸，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償措施，保證設(shè)計(jì)的供熱管道安全可靠并盡可能經(jīng)濟(jì)合理。進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，主要考慮下列荷載所引起的應(yīng)力：1.由于管道內(nèi)的流體壓力（簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)壓力）作用所產(chǎn)生的應(yīng)力。2.由于外載負(fù)荷作用在管道上所產(chǎn)生的應(yīng)力。外載負(fù)荷主要是管道自重（管子、流體和保溫結(jié)構(gòu)的重量）和風(fēng)雪載荷（對(duì)室外管道）。3.由于供熱管道熱脹冷縮所產(chǎn)生的應(yīng)力。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-1概述供熱管道應(yīng)力計(jì)算的任務(wù)是計(jì)算供熱管38§15-1概述

根據(jù)危害程度的不同分一次應(yīng)力二次應(yīng)力峰值應(yīng)力管道應(yīng)力計(jì)算的主要項(xiàng)目1.選定或校核鋼管壁厚；2.確定活動(dòng)支座的最大允許間距。3.分析固定支座受力情況，計(jì)算其受力大小；4.計(jì)算供熱管道的熱伸長(zhǎng)量，確定補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)尺寸及其彈性力等。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-1概述根據(jù)危害程一次應(yīng)力二次應(yīng)力峰值應(yīng)力管道應(yīng)39§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

一、管壁厚度的確定供熱管道的內(nèi)壓力為一次應(yīng)力，承受內(nèi)壓力的最小壁厚Sm的計(jì)算：按直管外徑確定時(shí):按直管內(nèi)徑確定時(shí):第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定一、管壁厚度的確40§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 ——直管的最小壁厚,mm; p——設(shè)計(jì)壓力,指管道運(yùn)行中內(nèi)部介質(zhì)最大工作壓力。

對(duì)于水管道，設(shè)計(jì)壓力的取用，應(yīng)包括水柱靜壓的

影響，當(dāng)其低于額定壓力的3℅時(shí)，可不考慮。MPa; ——管子外徑,mm; ——管子內(nèi)徑,mm; ——鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力,MPa; Y——溫度對(duì)計(jì)算管子壁厚公式的修正系數(shù); a——考慮腐蝕、磨損和機(jī)械強(qiáng)度要求的附加厚度,mm; ——許用應(yīng)力的修正系數(shù)。式中第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 41§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 取用哪種公式計(jì)算與所選管子的生產(chǎn)工藝有關(guān)。對(duì)于無(wú)縫鋼管，當(dāng)采用熱軋生產(chǎn)控制外徑時(shí)，可按外徑公式確定最小壁厚；當(dāng)采用鍛制生產(chǎn)或擠壓生產(chǎn)控制內(nèi)徑時(shí)，可按內(nèi)徑公式確定最小壁厚。對(duì)于有縱縫焊接鋼管和螺旋焊縫鋼管，亦按管子外徑公式確定最小壁厚。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 取用哪種公式計(jì)算42§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

直管計(jì)算壁厚Sc應(yīng)按下列方法確定:式中c———直管壁厚負(fù)偏差的附加值,mm；如已知管壁厚度，進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，由內(nèi)壓力產(chǎn)生的折算應(yīng)力不得大于鋼材在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，即:第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 直管計(jì)算壁厚43§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

式中——內(nèi)壓折算應(yīng)力，MPa；——管子最小實(shí)測(cè)壁厚，mm；二、管道支吊架的跨距的計(jì)算在確保安全運(yùn)行的前提下，應(yīng)盡可能擴(kuò)大管道支吊架的跨距，以節(jié)約供熱管線的投資費(fèi)用。管道支吊架的最大跨距(允許跨距)，通常按強(qiáng)度條件和剛度條件來(lái)確定。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定式中——內(nèi)壓44§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

（一）按強(qiáng)度條件確定管道支吊架允許跨距供熱管道支承在支吊架上，管道斷面承受由內(nèi)壓和持續(xù)外載產(chǎn)生的一次應(yīng)力。根據(jù)《技術(shù)規(guī)定》，管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓和持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和，同樣不應(yīng)大于鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力值。 由于支承在多個(gè)支吊架的管道，可視為多跨梁。根據(jù)材料力學(xué)中均勻載荷的多跨梁，其彎矩如圖15-1所示。最大彎矩出現(xiàn)在活動(dòng)支座處。根據(jù)分析，均勻載荷所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，比由于內(nèi)壓和持續(xù)外載所產(chǎn)生的軸向應(yīng)力大得多。為了計(jì)算方便，本書(shū)第三版在確定支吊架跨距時(shí)只計(jì)算由均勻荷載所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力，而采用一個(gè)降低了的許用應(yīng)力值（稱(chēng)為許用外載綜合應(yīng)力），管道自重彎曲應(yīng)力不超過(guò)管材的許用外載綜合應(yīng)力值,以保證管道的安全。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 （一）按強(qiáng)度條45§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定圖15-1多跨距供熱管道彎矩圖1--管線按最大角度不大于管線坡度條件下的變形線；圖15-2活動(dòng)支座間供熱管道變形示意圖2--管線按允許最大撓度ymax條件下的變形線第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定圖15-1多跨距46§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 在供熱管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于連續(xù)敷設(shè),均布載荷的水平直管,支吊架最大允許跨距大多采用下列公式計(jì)算：式中Lmax——管道支吊架最大允許跨距，M；q——管道單位長(zhǎng)度計(jì)算載荷，N/m,q=管材重+保溫重+附加重；w——管道斷面抗彎矩，cm3； ——管道橫向焊縫系數(shù)，見(jiàn)表15-2;[σ]t——鋼管熱態(tài)許用應(yīng)力，MPa，按附錄15-1確定。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 在供熱管網(wǎng)工程設(shè)47§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

對(duì)于地下敷設(shè)和室內(nèi)的供熱管道，外載荷重是管道的重量（對(duì)蒸汽管包括管子荷保溫結(jié)構(gòu)的重量，對(duì)水管還要加上水的重量）。對(duì)于室外架空敷設(shè)的供熱管道，q值還應(yīng)該考慮風(fēng)載荷的影響。（二）按剛度條件確定管道支吊架允許跨距管道在一定的跨距下總有一定的撓度。根據(jù)對(duì)撓度的限制而確定支吊架的允許間距，稱(chēng)為按剛度條件確定的支吊架允許跨距。

對(duì)具有一定坡度i的管道，如要求管道撓曲時(shí)不出現(xiàn)反坡，以防止最低點(diǎn)處積水排不出或避免在蒸汽管道啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生水擊，就要保證管道撓曲后產(chǎn)生的最大角應(yīng)變不大于管道的坡度（見(jiàn)圖15-2管線1所示）。管道在一定跨距下總有一定的撓度,由管道自重產(chǎn)生的彎曲撓度不應(yīng)超過(guò)支吊架跨距的0.005(當(dāng)輸水,放水坡度i=0.002時(shí))。對(duì)于連續(xù)敷設(shè)均布載荷的水平直管支吊架最大允許跨距，供熱工程中大多按下列公式計(jì)算：第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定對(duì)48§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定

式中q——管道單位長(zhǎng)度計(jì)算載荷，N/m，q=管材重+保溫重+附加重；Et——在計(jì)算溫度下鋼材彈性模量，MPa；I——管道截面二次距，cm4

；io——管道放水坡度,io≥0.002。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定式中49§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 在不通行地溝中，供熱管道支吊架的跨距宜采用比最大允許間距小一些的間距。因考慮無(wú)法檢修而當(dāng)個(gè)別支架下沉?xí)r，會(huì)使彎曲應(yīng)力增大，從安全角度考慮，宜縮短些間距。 對(duì)架空敷設(shè)管道，為了擴(kuò)大支吊架的跨距，可采用基本允許應(yīng)力較高的鋼號(hào)制作鋼管或在供熱管道上部加肋板以提高其剛度。 水平90℃彎管兩支吊架間的管道展開(kāi)長(zhǎng)度,不應(yīng)大于水平直管段上支吊架最大允許跨距的0.73倍;直管盲端兩支吊架間的管道長(zhǎng)度,不應(yīng)大于水平直管段上支吊架最大允許跨距的0.81倍。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-2管壁厚度及活動(dòng)支座間距的確定 在不50§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

供熱管道安裝投運(yùn)后，由于管道被熱媒加熱引起管道受熱伸長(zhǎng)。管道受熱的自由伸長(zhǎng)量，可按下式計(jì)算：式中

——管道的熱伸長(zhǎng)量，m；——管道的線膨脹系數(shù)(見(jiàn)附錄15—1)，一般可取m／m·℃；——管壁最高溫度，可取熱媒的最高溫，℃；——管道安裝時(shí)的溫度，在溫度不能確定時(shí)，可取為最冷月平均溫度，℃；——計(jì)算管段的長(zhǎng)度，m。如前所述，在供熱管網(wǎng)中設(shè)置固定支架，并在固定支架之間設(shè)置各種形式的補(bǔ)償器，如自然補(bǔ)償器、套管式、波紋管、方形或球形補(bǔ)償器等，其目的在于補(bǔ)償該管段的熱伸長(zhǎng)，從而減弱或消除因熱脹冷縮力所產(chǎn)生的應(yīng)力。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償供熱管道安裝51§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

各種補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)型式及其優(yōu)缺點(diǎn)已在第十三章述及。下面就幾種補(bǔ)償器的受力分析和應(yīng)力驗(yàn)算問(wèn)題，予以簡(jiǎn)要的介紹。一方形補(bǔ)償器方形補(bǔ)償器是應(yīng)用很普遍的供熱管道補(bǔ)償器。進(jìn)行管道的強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，通常需要確定：1．方形補(bǔ)償器所補(bǔ)償?shù)纳扉L(zhǎng)量2．選擇方形補(bǔ)償器的形式和幾何尺寸；3．根據(jù)方形補(bǔ)償器的幾何尺寸和熱伸長(zhǎng)量，進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。驗(yàn)算最不利斷面上的應(yīng)力不超過(guò)規(guī)定的許用應(yīng)力范圍，并計(jì)算方形補(bǔ)償器的彈性力，從而確定對(duì)固定支座產(chǎn)生的水平推力的大小。根據(jù)《技術(shù)規(guī)定》，管道由熱脹、冷縮和其它位移受約束而產(chǎn)生的熱脹二次應(yīng)力，不得大于按下式計(jì)算的許用應(yīng)力值。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償52§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

式中——鋼材在20℃時(shí)的基本許用應(yīng)力(見(jiàn)附錄15—1)，MPa；——鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力(見(jiàn)附錄15—1)，MPa；——熱脹二次應(yīng)力，取補(bǔ)償器危險(xiǎn)斷面的應(yīng)力值，MPa如供熱管道鋼號(hào)采用號(hào)鋼，工作溫度為200℃時(shí)，則熱脹二次應(yīng)力應(yīng)不大于：驗(yàn)算補(bǔ)償器應(yīng)力時(shí)，采用較高的許用應(yīng)力值，是基于熱膨脹應(yīng)力屬于二次應(yīng)力范疇。利用上述應(yīng)力分類(lèi)法，充分考慮發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力.第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償式中——鋼材在20℃53§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

圖15-3光滑彎管方形補(bǔ)償器計(jì)算圖第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償圖15-3光滑彎管方54§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償二自然補(bǔ)償管段常見(jiàn)的自然補(bǔ)償管段的形式有：L型，Z型和直角彎的自然補(bǔ)償管段．它的受力和熱伸長(zhǎng)后的變形示意圖可見(jiàn)圖15-4所示：圖15-4

常見(jiàn)的自然補(bǔ)償管段的受力及變形示意圖(a)L型自然補(bǔ)償管段；(b)直角彎自然補(bǔ)償管段；(c)Z型自然補(bǔ)償管段Lch——長(zhǎng)臂；LD——短臂；L——中間臂第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償二自然補(bǔ)償管段常見(jiàn)的55§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償在自然補(bǔ)償管段受熱變形時(shí)，與方形補(bǔ)償器的不同點(diǎn)，在于直管段都分有橫向位移，因而作用在固定支點(diǎn)上有兩個(gè)方向的彈性力（和，見(jiàn)圖15-4）．此外，一切自然補(bǔ)償管段理論計(jì)算公式，都是基于管路可以自由橫向位移的假設(shè)條件計(jì)算得出的．但實(shí)際上，由于存在著活動(dòng)支座，它妨礙著管路的橫向位移，而使管路的應(yīng)力會(huì)大．因此，采用自然補(bǔ)償管段補(bǔ)償熱伸長(zhǎng)時(shí)，其各臂長(zhǎng)度不宜采用過(guò)大數(shù)值，其自由臂長(zhǎng)不宜大30m．同時(shí)，短臂過(guò)短（或長(zhǎng)臂與短臂之比過(guò)大），短臂固定支座的應(yīng)力會(huì)超過(guò)許用應(yīng)力值．通常在設(shè)計(jì)手冊(cè)中，常給出限定短臂的最短長(zhǎng)度．第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償在自然補(bǔ)償管段受56§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

三、套筒（管）式補(bǔ)償器

套筒補(bǔ)償器應(yīng)設(shè)置在直線管段上，以補(bǔ)償兩個(gè)固定支座之間管道的熱伸長(zhǎng)套筒補(bǔ)償器的最大補(bǔ)償量，可從產(chǎn)品樣本上查出?？紤]到管道安裝后可能達(dá)到的最低溫度，會(huì)低于補(bǔ)償器安裝時(shí)的溫度，補(bǔ)償器產(chǎn)生冷縮。因此，兩個(gè)固定支座之間被補(bǔ)償管段的長(zhǎng)度，應(yīng)有下式計(jì)算確定：式中——套筒行程（即最大補(bǔ)償能力），m；——考慮管道可能冷卻的安裝裕度，mm；——鋼管的線膨脹系數(shù)，通常取——供熱管道的最高溫度，℃——補(bǔ)償安裝時(shí)的溫度，℃——熱力管道安裝后可達(dá)到的最低溫度，℃第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償三、套筒（管）式補(bǔ)償器57§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償 套筒補(bǔ)償器伸縮過(guò)程中的摩擦力，理論上應(yīng)分別按拉緊螺栓產(chǎn)生的摩擦力或由內(nèi)壓力產(chǎn)生的摩擦力兩種情況進(jìn)行計(jì)算。算出其數(shù)值后取較大值，但往往缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，工程實(shí)際中摩擦力由產(chǎn)品樣本提供。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償 套筒補(bǔ)償器伸縮過(guò)程中的摩58§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

四、波紋管補(bǔ)償器波紋管補(bǔ)償器按補(bǔ)償方式區(qū)分，有軸向、橫向及鉸接等型式。在供熱管道上軸向補(bǔ)償器應(yīng)用最廣，用以補(bǔ)償直線管段的熱伸長(zhǎng)量。軸向補(bǔ)償器的最大補(bǔ)償能力，同樣可從產(chǎn)品樣本上查出選用。軸向波紋管補(bǔ)償器受熱膨脹時(shí)，由于位移產(chǎn)生彈性力，可按下式計(jì)算：式中——波紋管補(bǔ)償器的軸向位移，cm；——波紋管補(bǔ)償器的軸向剛度，N/cm；可從產(chǎn)品樣本中查出；通常，在安裝時(shí)將補(bǔ)償器進(jìn)行預(yù)拉伸一半，以減少其彈性力。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償四、波紋管補(bǔ)償器59§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償

此外，管道內(nèi)壓力作用在波紋管環(huán)面所產(chǎn)生的推力，可近似按下式計(jì)算：式中——管道內(nèi)壓力，Pa；——有效面積，m2，近似以波紋半波高為直徑計(jì)算出的圓面積，同樣可從產(chǎn)品樣板中查出。為使軸向波紋管補(bǔ)償器嚴(yán)格按管線軸線熱脹或冷縮，補(bǔ)償器應(yīng)靠近一個(gè)固定支座（架）設(shè)置，并設(shè)置導(dǎo)向支座，導(dǎo)向支座宜采用整體箍住管子的型式，以控制橫向位移和防止管子縱向變形。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-3管道的熱伸長(zhǎng)及其補(bǔ)償此外，管道內(nèi)壓力作用在波60§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算

供熱管道上設(shè)置固定支座（架），其目的是限制管道軸向位移，將管道分為若干管段，分別進(jìn)行熱補(bǔ)償，從而保證各個(gè)補(bǔ)償器的正常工作固定支座（架）是供熱管道中主要的受力構(gòu)件，為了節(jié)約投資，應(yīng)盡可能加大固定支座（架）的間距，減少數(shù)目，但其間距必須滿(mǎn)足下列條件：1.管段的熱伸長(zhǎng)量不得超過(guò)補(bǔ)償器所允許的補(bǔ)償量；2.管段因膨脹和其它作用而產(chǎn)生的推力，不得超過(guò)固定支座（架）所能承受的允許推力；3.不應(yīng)使管道產(chǎn)生縱向彎曲；根據(jù)這些條件并結(jié)合設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，固定支座（架）的最大間距，不宜超過(guò)附錄15-5所列的數(shù)值第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算61§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算

固定支座所受到的水平推力，是有下列幾方面產(chǎn)生的：1.由于活動(dòng)支座上的摩擦力而產(chǎn)生的水平推力，可按下式計(jì)算：式中——計(jì)算管段單位長(zhǎng)度的自體載荷，N/m，——摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼，——管段計(jì)算長(zhǎng)度，m。2.由于彎管補(bǔ)償器或波紋管補(bǔ)償器的彈性力，或由于套筒補(bǔ)償器摩擦力而產(chǎn)生的水平推力。3.由于不平衡內(nèi)壓力而產(chǎn)生的水平推力。如在固定支座（架）兩端管段設(shè)置套筒或波紋管補(bǔ)償器，但其管徑不同；或在固定支座（架）兩端管段之一端設(shè)置閥門(mén)、堵板、彎管，而在另一管段設(shè)置套筒或者波紋管補(bǔ)償器；當(dāng)管道水壓試驗(yàn)和運(yùn)行時(shí)，將出現(xiàn)管道的不平衡軸向力。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算固定支座所受62§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算

（一）當(dāng)固定支座（架）設(shè)置在兩個(gè)不同管徑之間，不平衡軸向力，按下式計(jì)算：式中——不平衡軸向力，N；——介質(zhì)的工作壓力，Pa；——計(jì)算截面積，m2。（二）當(dāng)固定支架設(shè)置在有堵板的端頭、或有彎管以及閥門(mén)的管段和設(shè)有套筒或波紋管補(bǔ)償器管段之間時(shí)，內(nèi)壓力產(chǎn)生的軸向力按下式計(jì)算：在下表15-3、15-4中，列舉出常用的補(bǔ)償器和固定支座的布置形式，并相應(yīng)地列出了固定支座水平推力的計(jì)算公式，一些復(fù)雜的形式，可詳見(jiàn)一些設(shè)計(jì)手冊(cè)。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算§15-4固定支座（架）的跨距及其受力計(jì)算（一）當(dāng)固定63

固定支架在兩個(gè)方向的水平推力作用下，確定其計(jì)算水平推力公式時(shí)，考慮了下列幾個(gè)原則：1.對(duì)管道由于溫度變化產(chǎn)生的水平推力（如管道摩擦力，補(bǔ)償器彈力），從安全角度出發(fā)，不按理論合成的水平推力值作為計(jì)算水平推力。2.對(duì)由內(nèi)壓力產(chǎn)生的水平推力，作用在固定支座兩側(cè)的數(shù)值，應(yīng)如實(shí)地計(jì)算其不平衡力，而不作任何折扣計(jì)算。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算固定支架在兩個(gè)方向的水1.對(duì)管道由于64

3.在固定支座（架）兩側(cè)配置閥門(mén)和套筒補(bǔ)償器地情況，如表15-4序號(hào)4所示，需要按可能出現(xiàn)的最不利情況進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于敷設(shè)多根供熱管道的支架，考慮固定支架所承受的水平推力時(shí)，還應(yīng)考慮共架中各管道的相互影響。第十五章供熱管道的應(yīng)力計(jì)算3.在固定支座（架）兩側(cè)配置對(duì)于敷65§15-5直埋管道的最大允許溫差和最大安裝長(zhǎng)度 整體式保溫結(jié)構(gòu)的直埋敷設(shè)方式分為有補(bǔ)償敷設(shè)和無(wú)補(bǔ)償敷設(shè)。即通過(guò)應(yīng)力驗(yàn)算可以確定某種材質(zhì)的管道在一定的溫差范圍內(nèi)，長(zhǎng)直管線不需要設(shè)置補(bǔ)償器即采用無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)。當(dāng)最高運(yùn)行溫度和循環(huán)最低終溫溫差超過(guò)最大允許溫差后，直埋管道應(yīng)采用有補(bǔ)償敷設(shè)，并需要控制長(zhǎng)直管段的最大允許安裝長(zhǎng)度。因此在直埋管道工程中掌握應(yīng)力驗(yàn)算方法