直埋供熱管道應(yīng)力及熱位移的分析之歐陽(yáng)音創(chuàng)編

直埋供熱管道應(yīng)力及熱位移的分析2006-10-31摘要：分析直埋敷設(shè)供熱管道在工作溫度循環(huán)變化過(guò)程中管道應(yīng)力、熱位移等參數(shù)的變化特點(diǎn)。通過(guò)分析長(zhǎng)直管段和短過(guò)渡段管段的工作過(guò)程中應(yīng)力、熱位移等參數(shù)的變化，研究了直埋敷設(shè)管道熱位移對(duì)管道安全的影響。關(guān)鍵詞：直埋管道；供熱管道；應(yīng)力；熱位移近年來(lái)隨著城市供熱管網(wǎng)的不斷發(fā)展，熱水管道直埋技術(shù)日益成熟，并越來(lái)越多地應(yīng)用于城市供熱工程中［1-3］。直埋敷設(shè)管道中各點(diǎn)的熱位移、摩擦力及管道應(yīng)力等參數(shù)隨供熱管道升溫、降溫發(fā)生變化［4、5］，由于管道布置形式不同，管道最不利的狀態(tài)不一定為管道達(dá)到最高工作溫度及管段處于錨固段時(shí)。有些管段因增設(shè)補(bǔ)償器，使管段處于過(guò)渡段內(nèi)工作，但由于管段的各種參數(shù)隨著供熱管道升溫、降溫發(fā)生變化，從而導(dǎo)致工作狀態(tài)偏離設(shè)計(jì)狀態(tài)，對(duì)管件造成破壞。本文通過(guò)分析某種布置的管段應(yīng)力、熱位移的變化研究直埋管段熱位移對(duì)管道安全的影響。1直埋敷設(shè)管道的管段類型直埋敷設(shè)供熱管道根據(jù)管道變形及應(yīng)力分布特點(diǎn)一般可分為過(guò)渡段、錨固段［5-8］。①過(guò)渡段過(guò)渡段的一端為固定端（指固定點(diǎn)、駐點(diǎn)或錨固點(diǎn)），另一端為活動(dòng)端（補(bǔ)償器或彎頭），當(dāng)管道溫度變化時(shí)，能產(chǎn)生熱位移。在過(guò)渡段的活動(dòng)端處，溫度變化時(shí)管段基本處于自由伸縮狀態(tài)，隨著溫度的不斷升高，管段活動(dòng)截面從活動(dòng)端逐漸移向固定端，由于管段與周圍土壤之間的摩擦力作用，管段熱伸長(zhǎng)受阻。隨著管段活動(dòng)截面逐漸接近固定端，摩擦阻力增加至與溫升產(chǎn)生的熱應(yīng)力相等，該點(diǎn)管道截面受力平衡，管段不能再向活動(dòng)端伸長(zhǎng)，從而進(jìn)入自然錨固狀態(tài)，該點(diǎn)即

為自然錨固點(diǎn)。過(guò)渡段中由于各點(diǎn)都有不同程度的熱位移，熱應(yīng)力得到部分釋放，因此過(guò)渡段的軸向熱應(yīng)力從活動(dòng)端的零值逐漸增加至固定端的由于受土壤摩擦力的作用，管段熱伸長(zhǎng)受阻，當(dāng)管道溫度發(fā)生變化時(shí)，不產(chǎn)生熱位移。在錨固段內(nèi)管道的熱伸長(zhǎng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向應(yīng)力留存在管壁內(nèi)，使該管段應(yīng)力達(dá)到最大值。最大值。②錨固段錨固段最大值。②錨固段錨固段2長(zhǎng)直管段的工作過(guò)程在供暖期，直埋敷設(shè)供熱管道由安裝溫度逐漸上升至工作時(shí)的最高溫度，并在工作溫度下運(yùn)行。在非供暖期或檢修期，管道溫度下降至最低溫度。因此直埋敷設(shè)供熱管道的工作過(guò)程是一個(gè)升溫、降溫的循環(huán)過(guò)程。為分析直埋敷設(shè)供熱管道在工作過(guò)程中各種參數(shù)的變化，本文利用圖解法分析理想直埋敷設(shè)供熱管道初次升溫、初次降溫及循環(huán)工作時(shí)的工作狀態(tài)。一段直埋敷設(shè)長(zhǎng)直管段（見(jiàn)圖1），點(diǎn)A為活動(dòng)端，點(diǎn)8為自然錨固點(diǎn)。為簡(jiǎn)化分析，設(shè)定管道工作循環(huán)最低溫度與安裝溫度相等，且不考慮補(bǔ)償器的阻力，并認(rèn)為該管段在彈性狀態(tài)下工作。點(diǎn)A至點(diǎn)B的長(zhǎng)度為L(zhǎng)c。圖1中橫坐標(biāo)為長(zhǎng)度L（單位為m）,縱坐標(biāo)為摩擦力F（單位為N）、應(yīng)力。（單位為Pa）、應(yīng)變￡、溫升t（單位為℃）等參數(shù)。。此主題相關(guān)圖

片如下:片如下:圖1長(zhǎng)直管段應(yīng)力等參數(shù)的分布Fig．1Distributionofparametersofstressandotherstressandotherlongstraightpipelinesection①初次升溫時(shí)的工作過(guò)程圖1中CD為升溫（溫度升高At）后管段的溫度應(yīng)

力曲線，OH,D為管道升溫膨脹時(shí)管道與周圍土壤之間摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線，2條曲線在點(diǎn)D相交。在點(diǎn)D左側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力小于溫度應(yīng)力，管段AB可產(chǎn)生變形。OH,D也為第1次溫升后過(guò)渡段的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。點(diǎn)D、C、D、H’、。圍成的陰影部分的面積為過(guò)渡段第1次圖片如下：溫升的伸長(zhǎng)量。此主題相關(guān)

溫升的伸長(zhǎng)量。此主題相關(guān)②初次降溫時(shí)的工作過(guò)程②初次降溫時(shí)的工作過(guò)程 管道降溫（溫度下降△土）后，該管段溫度應(yīng)力分布曲線為線段OH,D的平行線FHE。線段OHG為管道降溫收縮時(shí)管道與周圍土壤之間摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線，與升溫時(shí)摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線大小相等，方向相反，即與OH,D對(duì)稱于OL軸。在點(diǎn)H左側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力小于溫度應(yīng)力，管段AB,可產(chǎn)生收縮變形。在點(diǎn)H右側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力大于溫降產(chǎn)生的應(yīng)力，管段B'B不能收縮。曲線OHE即為該管段第1次降溫時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。由圖1可知，當(dāng)管道溫度下降至安裝溫度時(shí)，點(diǎn)O、H、F、O圍成的面積為點(diǎn)O、H，、D、C、O圍成的面積的1/2，即升溫時(shí)的熱伸長(zhǎng)在降溫時(shí)僅能收縮1/2，而且參與收縮的管段也僅為整個(gè)過(guò)渡段長(zhǎng)度的1/2（即LAB‘二LB'B）。③循環(huán)工作過(guò)程當(dāng)管道再次升溫（溫度升高^(guò)t）后，該管道溫度應(yīng)力曲線為OHE的平行線CH'D,而管道由于溫升摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線仍為OH'D。在圖1中點(diǎn)H’左側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力小于升溫產(chǎn)生的應(yīng)力，管段AB′可受熱伸長(zhǎng)。在圖中點(diǎn)H,右側(cè)，摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力等于溫升產(chǎn)生的應(yīng)力，管段B,B不能伸長(zhǎng)。由以上分析可知，彈性工作狀態(tài)下管道初次升溫、降溫與循環(huán)工作時(shí)的狀態(tài)有所不同。3短過(guò)渡段的工作過(guò)程當(dāng)實(shí)際過(guò)渡段長(zhǎng)度小于極限過(guò)渡段長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)注意分析各種工作過(guò)程中熱位移、摩擦力及管道應(yīng)力等各種參數(shù)的變化及與相鄰過(guò)渡段之間的相互影響。一段直埋敷設(shè)供熱管段（見(jiàn)圖2），兩端均為活動(dòng)端，A端為軸向型補(bǔ)償器，B端為豎向彎頭，在立管上設(shè)置復(fù)式拉桿型波紋管補(bǔ)償器。點(diǎn)C為初次升溫運(yùn)行時(shí)的駐點(diǎn)。為簡(jiǎn)便分析，假定升溫、降溫的溫差均為4^①初次升溫時(shí)的工作狀態(tài)初次升溫時(shí)，管道的工作壓力在A端產(chǎn)生壓應(yīng)力。1（單位為Pa）,在B端產(chǎn)生拉應(yīng)力。2（單位為Pa）。隨著管道工作溫度的升高，線段GH為管段AC升溫伸長(zhǎng)時(shí)與周圍土壤之間的摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲

線，線段HI為管段CB升溫伸長(zhǎng)時(shí)與周圍土壤之間的摩擦力的應(yīng)力曲線。經(jīng)比較，溫度應(yīng)力曲線DEF上的任意值均大于摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線對(duì)應(yīng)管段駐點(diǎn)C,因此曲線GH及GH及HI上的對(duì)應(yīng)值交點(diǎn)HGHI為管段AB初次升溫時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。圖2短過(guò)渡段應(yīng)力等參數(shù)的分布Fig．2：Distributionofstressandotherparametersofshorttransitionpipelinesection②初次降溫時(shí)的工作狀態(tài)初次降溫時(shí)，由于溫度下降、管道收縮時(shí)摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線分別為線段GJ和IJ,溫度應(yīng)力曲線為GHI的平行線XYZ。經(jīng)比較，溫度應(yīng)力曲線XYZ上的任意值均大于摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線GJ及IJ上的對(duì)應(yīng)值，因此曲線GJI為管段AB初次降溫時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。交點(diǎn)J對(duì)應(yīng)管段節(jié)點(diǎn)5,因此降溫運(yùn)行時(shí)管道駐點(diǎn)移至點(diǎn)C,。此時(shí)管段AC,收縮量為點(diǎn)G、J、N、Y、X、G圍成的面積，管段C,B收縮量為點(diǎn)I、J、N、Z、I圍成的面積。③再次升溫時(shí)工作狀態(tài)管道再次升溫時(shí)溫度應(yīng)力曲線為GJI的平行線DST。管道升溫伸長(zhǎng)時(shí)摩擦力產(chǎn)生的應(yīng)力曲線分別為線段GH及HI,交點(diǎn)H再次對(duì)應(yīng)管段節(jié)點(diǎn)C,因此再次升溫運(yùn)行時(shí)管道駐點(diǎn)又移至點(diǎn)C。溫度應(yīng)力曲線DST上的任意值均大于摩擦力應(yīng)力曲線GH及HI上的對(duì)應(yīng)值因此曲線GHI為管段AB再次升溫時(shí)的應(yīng)力及應(yīng)變分布線。此時(shí)管段AC伸長(zhǎng)量為點(diǎn)D、M、H、G、D圍成的面積，管段CB伸長(zhǎng)量為點(diǎn)H、M、S、T、I、H圍成的面積。④循環(huán)工作狀態(tài)由以上分析可知，管段在循環(huán)工作過(guò)程中駐點(diǎn)位置在點(diǎn)C、C，間移動(dòng)，管段的部分伸長(zhǎng)量從A側(cè)轉(zhuǎn)移至B側(cè)。降溫時(shí)管段AC，增加的收縮量（圖2中降溫變形量）當(dāng)再次升溫后會(huì)增加到管段CB的伸長(zhǎng)量（圖2中升溫變形量）上。因此會(huì)導(dǎo)致管段A端的軸向型補(bǔ)償器升溫變形后，在降溫時(shí)不能回到初始狀態(tài)，而是被拉長(zhǎng)，而管段B端的復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器升溫變形后，在降溫時(shí)也同樣不能回到初始狀態(tài)，而是由于位移量的增大，偏向右側(cè)。這樣循環(huán)工作若干次后，會(huì)導(dǎo)致A端的軸向型補(bǔ)償器處于受拉狀態(tài)，直至破壞，而B(niǎo)端的復(fù)式拉桿型補(bǔ)償器則會(huì)因?yàn)槌^(guò)額定補(bǔ)償量而損壞。4結(jié)語(yǔ)由于實(shí)際工程中影響管道布置的因素很多，管道布置的類型各不相同，且過(guò)渡段內(nèi)管道作用力、應(yīng)變、應(yīng)力及位移的變化情況較復(fù)雜。若管道布置不合理，會(huì)對(duì)管件造成不同程度的破壞，從而會(huì)影響到整個(gè)管網(wǎng)的正常運(yùn)行，造成不必要的損失。因此設(shè)計(jì)人員在