直埋供熱管道變徑處的受力分析與保護 北方暖通空調(diào)制冷網(wǎng)

太原理工大學環(huán)境科學與工程學院王國偉、王飛太原市熱力公司張建偉摘要對于DN500mm以上的直埋供熱管道變徑處（大小頭）設(shè)補償器或固定墩進行保護，不僅增加了工程的初投資尤其增加了工程的實施難度?；跍p少大管徑變徑管的保護數(shù)量，開展了直埋供熱管道錨固段變徑管及其兩側(cè)管段的受力分析。研究結(jié)果表明：一級變徑時，在設(shè)計壓力分別為2.5MPa、1.6MPa、1.0MPa時，管道循環(huán)溫差依次在102℃、113℃、120℃以下時不需要保護；兩級變徑時，在設(shè)計壓力分別為2.5MPa、1.6MPa、1.0MPa時，管道循環(huán)溫差依次在92℃、關(guān)鍵詞供熱管道變徑固定墩受力位移0引言工程實踐中，供熱管道直埋敷設(shè)不可避免地要變徑，變徑對變徑管兩側(cè)管道的應(yīng)力和安全產(chǎn)生了一定的影響，特別是變徑管小頭和直管連接處。變徑管小頭和直管連接處是直埋供熱管道的薄弱點，容易破裂漏水，對于大管徑的多級變徑有可能造成災(zāi)難性的后果。文獻規(guī)定DN500以下的直埋供熱管道變徑處應(yīng)設(shè)補償器或固定墩進行保護[1][2]，對于DN500以上的變徑管若采用相同的技術(shù)要求，工程實施有時難度很大。本文通過對變徑管兩側(cè)管段的受力分析，得到了有選擇的進行保護的結(jié)論和依據(jù)，使得相當一部分變徑管不需要采取保護措施。與補償器保護相比還減少了管網(wǎng)的故障源，節(jié)約了投資；必須保護時，首選固定墩，并提出了固定墩推力計算式，具有重要的工程應(yīng)用價值。含變徑管的長直管線軸向力分布圖若忽略變徑管兩側(cè)管道的沿途溫降，則處于錨固段的變徑管兩側(cè)管道將處于同一熱應(yīng)力水平，因此變徑管兩側(cè)將承受不同的軸向力作用，如圖1所示。升溫時，大管的軸向力通過變徑管傳遞，作用于小管。大管側(cè)局部管段與其它錨固段相比有一定的熱膨脹，小管側(cè)局部管段將額外增加壓縮變形[3][4]。在安定性狀態(tài)下，變徑管產(chǎn)生有限量的位移。軸向壓力的變化如圖1所示。圖1管道軸向力分布Graph1TheDistributionofPipelineAxialForce，—分別為變徑管兩側(cè)錨固段的軸向力;，—分別為變徑管兩側(cè)自由端位移阻力;—變徑管的盲板力;—大管側(cè)自由端距變徑管長;—小管側(cè)自由端距變徑管管長;—大管側(cè)最大過渡段長度;—小管側(cè)最大過渡段長度；—大管側(cè)局部伸長段長度；—小管側(cè)局部壓縮段長度；—變徑管小頭的軸向力;—變徑管受到的土壤壓縮反力.。，—分別為變徑管兩側(cè)管道截面積，;—直埋保溫管介質(zhì)鋼管的線膨脹系數(shù),;——直埋保溫管介質(zhì)鋼管的彈性模量,;——管道工作循環(huán)最高溫度,;——管道計算安裝溫度,.2變徑管小頭的軸向力2.1變徑管兩側(cè)直管段的軸向力直埋供熱管道錨固段的軸向力按下式計算：（1）式中：當時，——管道的屈服溫差，；——直埋管單長最小摩擦力,；——直埋管介質(zhì)鋼管的泊松系數(shù)；——直埋管介質(zhì)鋼管由內(nèi)壓力引起的環(huán)向應(yīng)力,;——直埋管介質(zhì)鋼管的橫截面積，。下標。代表大管；代表小管。其它符號代表意義同前。2．2變徑管小頭所受軸向力變徑管小頭受到的軸向力按下式計算：（2）由式（2）可見，處于錨固段的變徑管，大頭的軸向力小于大管的軸向力，而小頭的軸向力大于小管的軸向力，因此小頭和小管連接處將承受較大的應(yīng)力。該截面的軸向力隨局部壓縮長度線性增大。當長直管線錨固段滿足安定性條件時，該截面未必能滿足強度條件，所以處于錨固段的變徑管小頭處進行應(yīng)力驗算是必須的。3錨固段變徑管的位移及兩側(cè)局部變形長度根據(jù)虎克定律，分別對變徑管兩側(cè)列力平衡方程式[5][6]：小頭處：(3)大頭處：(4)變徑管的位移量：(5)或者(6)由公式(5)、(6)可得:（7）由公式（2）、(7)可得:大管局部膨脹的管段長度：(8)小管局部壓縮的管段長度：(9)變徑管位移量：由公式（2）、（5）、(9)可得:（10）某些一級變徑管，在的設(shè)計壓力和最大允許溫差下，隨不同埋深的位移量如圖2所示。圖2某些變徑管隨不同埋深的位移量Graph2TheDisplacement’ChangewithDifferentBuriedDepthofSomeTaperPipes分析公式（1）~（10）及圖2可以得出如下結(jié)論：隨壓力的增加，變徑管兩側(cè)的局部變形段增長，變徑管的位移量增加；隨埋深的降低，變徑管兩側(cè)的局部變形段增長，變徑管的位移量增加，小管的最大軸向力增大；隨變徑級數(shù)的增加，變徑管兩側(cè)的局部變形段增長，變徑管的位移量增加，小管的最大軸向力增大。4小頭和小管連接處滿足強度條件的允許溫差根據(jù)第三強度理論，在兩向應(yīng)力作用下，相當應(yīng)力應(yīng)按下式計算[7][8]：式中、---最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，MPa。由:；可得：。按照彈塑性分析的強度條件：可得該截面滿足強度要求的最大允許溫差ΔTmax見表一，表二。一級變徑管滿足強度條件的最大允許溫差表一PrimarytaperpipetomeetthestrengthconditionofthemaximumpermissibletemperaturedifferenceTable1變徑規(guī)格DN(℃)(℃)50/4065/5080/65100/80125/100150/125200/150250/200300/250350/300400/350450/400500/450600/500700/600800/700900/8001000/900二級變徑管滿足強度條件的最大允許溫差表二SecondarytaperpipetomeetthestrengthconditionofthemaximumpermissibletemperaturedifferenceTable2變徑規(guī)格DN(℃)(℃)65/4080/50100/65125/80150/100200/125250/150300/200350/250400/300450/350500/400600/450700/500800/600900/7001000/800管道的基本數(shù)據(jù)表三ThebasicdatapipelineTable3公稱直徑DN外徑D0內(nèi)徑Di壁厚δ減薄壁厚ΔδmmmmDN400.04300.0030DN500.0600.05400.0035DN650.0760.06900.0040DN800.0890.08200.0040DN1000.1080.10100.0040DN1250.1330.12500.0045DN1500.1590.15100.0045DN2000.2190.20820.00600.0006DN2500.2730.26220.00600.0006DN3000.3250.31220.00700.0006DN3500.3770.36420.00700.0006DN4000.4260.41320.00700.0006DN4500.4780.46520.00700.0006DN5000.5290.51460.00800.0006DN6000.6300.61560.00800.0080DN7000.7200.70360.00900.0080DN8000.8200.80160.01000.0080DN9000.9200.89760.01200.0080DN10001.0200.99560.01300.0080注：采用鋼材Q235B表二中，是不考慮變徑的長直管線，按照強度條件確定的最大允許溫差。分析表一、表二可以得出這樣的結(jié)論：（1）隨變徑級數(shù)的增加，允許溫差在減??；（2）隨內(nèi)壓力的增加，允許溫差在減??；（3）按小頭和小管連接處確定的允許溫差要小十幾度以上。5設(shè)置固定墩及其推力通過以上分析可知，當管網(wǎng)最大溫差既不大于，也不大于時，變徑處不需要固定墩或補償器的保護便可進行無補償直埋；當管網(wǎng)最大溫差不大于，但大于時，變徑處需要設(shè)置固定墩或補償器才能進行無補償直埋。設(shè)置補償器進行保護，使變徑管進入過渡管段。雖然可以起到降低小頭處應(yīng)力的作用，增加小頭的安全性[9]；與此同時補償器的加入又增加了管系的故障源，增加了分支的橫向位移，引起管系熱力與熱伸長的重新分配，增加了設(shè)計施工難度。在緊靠變徑管大頭設(shè)置固定墩，如圖3所示，利用土壤反力抵抗大管的部分軸向力，既起到降低小頭處應(yīng)力的作用又利于分支的引出[10]。固定墩受到的推力按式（12）確定。圖3固定墩受力分析Graph3TheAnalysisoftheForceofFixedPier由力學平衡可得：(11)由公式（1）、(11)可得(12)6結(jié)語國內(nèi)直埋供熱管道工程的管徑已由DN500發(fā)展到DN1200，變徑管小頭處應(yīng)力增大問題非常突出。按照變徑管所處的管段和最大允許循環(huán)溫差有選擇的進行保護，既保證了直埋供熱管道工程的安全運行，也節(jié)約了投資，降低了工程難度，縮短了施工周期、應(yīng)當大力推廣。參考文獻：[1]CJJ-T81-98城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程.北京：中國建筑工業(yè)出版社[2]AT莫澤.地下管設(shè)計.北京:機械工業(yè)出版社，2003[4]Bair,D.A.1984.AnalysisofStrainvs.InternalPressureofBuriedFRPPipefromTestsandFiniteElementModeling.Masterofsciencethesis.Logan:Utah[5]王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計.北京：中國建筑工業(yè)出版,2007.[7]陳昭怡，吳桂英.材料力學:第一版.中國建材工業(yè)出版社，2005.[8]Watkins.K.andL