直埋供熱管道敷設(shè)的應(yīng)力計(jì)算與設(shè)計(jì)

郭震環(huán)

(太原市熱力公司，山西太原 030012)

0 引言

隨著城市集中供熱規(guī)模的不斷擴(kuò)大，供熱直埋管道管徑已發(fā)展到DN1 400。然而現(xiàn)行《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》限定在DN500及其以下［1］。為使相關(guān)技術(shù)人員增加對大口徑直埋管道相關(guān)技術(shù)的認(rèn)識，提高設(shè)計(jì)水平、增加大口徑供熱直埋管道工程設(shè)計(jì)的安全性和可靠性，節(jié)約工程投資［2，3］。文中介紹了大口徑、高溫、高壓供熱直埋管道應(yīng)力分析和應(yīng)力計(jì)算方法及管道失效方式，為供熱直埋供熱管道的設(shè)計(jì)、施工和管理提供了依據(jù)。

1 直埋供熱管道的應(yīng)力分析

1.1 應(yīng)力計(jì)算

EN 13941中在進(jìn)行單長摩擦力計(jì)算時，考慮管道自重引起的管道與土壤之間的摩擦力，其計(jì)算如下［3］:

其中，F(xiàn)為軸線方向每1 m管道的摩擦力，N/m;μ為外管殼與土壤的摩擦系數(shù);ρ為土壤密度，一般砂土取1 800 kg/m3;g為重力加速度，m/s2;h為管頂覆土深度，m;Dw為預(yù)制保溫管外殼的外徑，m;G為每1 m預(yù)制保溫管的滿水重量，N/m。

直埋保溫管鋼管管徑為1 000，預(yù)制保溫管外殼直徑1 155 mm，管頂平均埋深1.2 m，最小摩擦系數(shù)0.2。最小單位長度摩擦力為25 487 N/m。

1.2 應(yīng)力校核

由于直埋管道的一次加二次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力最大值是出現(xiàn)在錨固段管道，應(yīng)力驗(yàn)算主要對象是錨固段，因此該段內(nèi)管道的參數(shù)應(yīng)滿足下列公式［2，3］:

則認(rèn)為管道的參數(shù)的選取是合適的。

其中，γ為鋼材的泊松系數(shù)，取0.3;t2為管道工作循環(huán)最低溫度(半年運(yùn)行取10℃，全年運(yùn)行取30℃);t1為管道工作循環(huán)最高溫度，130℃;E為鋼材的彈性模量，取19.6×104MPa;α為線性膨脹系數(shù)，取11.74×10－6m/(m·℃);σt為管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力，MPa。

其中，Pd為管道計(jì)算壓力，MPa;Di為鋼管內(nèi)徑，m;δ為鋼管公稱壁厚，m。

2 直埋供熱管道的失效方法

2.1 管道豎向穩(wěn)定性驗(yàn)算

直埋直管段上的垂直荷載應(yīng)符合下列表達(dá)式:

其中，Q為作用在單位長度管道上的垂直分布荷載，N/m;γs為安全系數(shù)，取1.1;Np·max為管道的最大軸向力，N;fo為初始撓度，m。

初始撓度應(yīng)按式(4)計(jì)算:

當(dāng) fo＜0.01 m 時，fo取0.01 m。

垂直荷載應(yīng)按式(5)計(jì)算:

其中，GW為每米長度管道上方的土層重量，N/m;G為包括介質(zhì)在內(nèi)保溫管單位長度自重，N/m;SF為每米長管道上方土體的剪切力，N/m;K0為土壤靜壓力系數(shù);φ為土壤的內(nèi)摩擦角，(°)，砂子取30°。

埋地管道中介質(zhì)溫度升高時，管道中產(chǎn)生軸向壓力。存在軸向壓力的管道有向軸向法線方向凸出使管道彎曲的傾向。由于管道周圍土壤在徑向和軸向?qū)艿烙屑s束，正常狀態(tài)下埋地管道在地下保持穩(wěn)定。當(dāng)周圍土壤的約束力較小或因周圍開挖而減小，受壓管道會在橫向約束最弱的區(qū)域喪失穩(wěn)定。管道在軸向朝失穩(wěn)區(qū)域推進(jìn)，并在水平方向或垂直方向推開土壤形成彎曲的凸出管段。豎向失穩(wěn)可能由于設(shè)計(jì)考慮不周引起，水平失穩(wěn)多為埋地供熱管道投產(chǎn)后由于其他管線施工引起。

2.2 局部穩(wěn)定性

原規(guī)程適用管徑較小，常用管道規(guī)格的截面剛度較大，局部屈曲的危險較小，所以原規(guī)程未要求對截面剛度和局部穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。本次針對大管徑管道專門進(jìn)行了研究，用國內(nèi)已實(shí)際運(yùn)行多年的管道工程與歐洲供熱管道標(biāo)準(zhǔn)對比，如按歐洲供熱管道標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，大管徑管道壁厚要比實(shí)際工程使用的壁厚大很多。

歐洲規(guī)范EN 13941對于直埋管道徑厚比的規(guī)定式。我國JB 4732-1995鋼制壓力容器—分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提出的臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算公式為:

其中前兩個公式經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比，計(jì)算值偏于保守。對于幾個公式的運(yùn)算結(jié)果比較，JB 4732-1995計(jì)算的徑厚比較前兩個公式的計(jì)算結(jié)果要保守，但是EN 13941更保守，計(jì)算的管壁厚度太大。所以本規(guī)程規(guī)定采用JB 4732-1995的公式作為臨界屈曲應(yīng)力計(jì)算公式。

公式計(jì)算壁厚沒有考慮環(huán)境和焊工技術(shù)的影響。長距離管道焊接環(huán)境復(fù)雜，比鋼制壓力容器要惡劣;管道焊口邊緣晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，許用應(yīng)力會因焊工技術(shù)而下降，幅度在10%～25%。

2.3 徑向穩(wěn)定性

管道應(yīng)按下列公式進(jìn)行徑向穩(wěn)定性驗(yàn)算:

其中，ΔX為鋼管徑向最大變形量，m;W為管頂單位面積上總垂直荷載，kPa;r為工作管平均半徑，m。

理論研究表明，直埋敷設(shè)的柔性管道能夠利用其周圍土壤的承載能力，當(dāng)管道橢圓變形達(dá)到鋼管外直徑的20%時，才發(fā)生整體結(jié)構(gòu)破壞。但試驗(yàn)證明，橢圓變形達(dá)到鋼管外直徑的5%時，管壁便開始出現(xiàn)屈服。GB 50253-2003輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范，GB 50251-200輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范都規(guī)定管道的橢圓變形量應(yīng)小于鋼管外徑的3%，橢圓變形量采用依阿華公式計(jì)算。

3 結(jié)語

大口徑、高溫、高壓供熱直埋管道的應(yīng)力計(jì)算及管道失效方式已經(jīng)與小口徑管道有很大區(qū)別，大口徑管道本身重力對摩擦力的影響已經(jīng)不能忽略，隨著徑厚比的增加管件的疲勞失效、管道的橢圓化和局部失穩(wěn)的可能性增大。在管道設(shè)計(jì)中要選擇合適的直埋敷設(shè)方式，在經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，把管道的危險性降到最低。

［1］CJJ-T81-98，城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程［S］.

［2］王 飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007:92-97

［3］EN 13941∶2009，Design and installation of preinsulated bonded pipe systems for district heating［S］.

［4］GB 50253-2003，輸油管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.