直埋敷設(shè)熱水管道0°～15°小角度轉(zhuǎn)角管段應(yīng)力分析

劉 翠 霞

(太原市熱力公司，山西 太原 030024)

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直埋敷設(shè)熱水管道0°～15°小角度轉(zhuǎn)角管段應(yīng)力分析

劉 翠 霞

(太原市熱力公司，山西 太原 030024)

介紹了供熱系統(tǒng)管道直埋敷設(shè)時所用到的彎管的種類，從彎頭強(qiáng)度驗(yàn)算、計算臂長、單斜接縫焊接彎頭應(yīng)力等方面，分析了小角度轉(zhuǎn)角管段的轉(zhuǎn)角應(yīng)力，并闡述了小角度轉(zhuǎn)角管道的施工工藝，以供參考。

直埋敷設(shè)，小角度轉(zhuǎn)角，應(yīng)力

1 概述

我國的供熱系統(tǒng)在進(jìn)行管道的施工過程中，多數(shù)會采用直埋敷設(shè)的方式，尤其是供熱管道的直徑值不超過DN500時，采用直埋敷設(shè)的方式具有非常大的優(yōu)勢。不過在施工時，依然有著一些較為重要的問題需要我們解決。例如，對于管道直徑變換位置的應(yīng)力計算、三通位置的應(yīng)力計算和小角度轉(zhuǎn)角管段位置的應(yīng)力計算，尤其是0°～15°小角度轉(zhuǎn)角管段的設(shè)計，在進(jìn)行直埋敷設(shè)施工時是較常碰到的問題。本文依照供熱管道0°～15°小角度轉(zhuǎn)角管段的設(shè)計布局和連接，探討了小角度轉(zhuǎn)角管段的應(yīng)力情況，并指出采取何種措施對0°～15°小角度轉(zhuǎn)角管段進(jìn)行保護(hù)。

2 彎管的種類

在設(shè)計小角度直埋敷設(shè)的轉(zhuǎn)角管段時，對于管道轉(zhuǎn)角的處理可采取兩種不同的方式：其一，是采取較大曲率半徑光滑彎頭的方式。其二，是采取單斜接縫焊接的方式，如圖1所示。

顯然可見，采取使用較大曲率半徑彎頭的方式來對小角度轉(zhuǎn)角管道進(jìn)行處理相對要好很多。不過，采用這種方法需要質(zhì)量較好的彎管，并且進(jìn)行彎管的加工時也相對困難。而采用單斜接縫焊接的方式則非常的便捷，不過此類方法需要品質(zhì)非常高的管道，通常所采用的管道很少可以滿足要求的應(yīng)力條件。同時，在CJJ/T 81—2013城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程(簡稱規(guī)程，下同)中，關(guān)于錨固的管道部分，規(guī)定其安全折角應(yīng)當(dāng)小于2°，并且不同的管道直徑也有不同的要求。而這一規(guī)定明顯無法處理0°～15°范圍內(nèi)的相關(guān)管道轉(zhuǎn)角設(shè)計。

3 轉(zhuǎn)角應(yīng)力分析

對于轉(zhuǎn)角應(yīng)力計算與分析時，所采用的管道類型為直埋保溫型管道。

3.1 彎頭強(qiáng)度驗(yàn)算中存在的影響因素

假定所使用的管道材料一定，那么對于彎頭臂長的布置與設(shè)計，影響的因素包含下列幾點(diǎn)：

1)供熱管道直埋敷設(shè)深度。當(dāng)管道所埋設(shè)的深度較大時，管道所受到的單長摩擦力值相應(yīng)的較大。此時，轉(zhuǎn)角最大的平均計算臂長會相應(yīng)減小。

2)供熱管道的循環(huán)溫度差值。當(dāng)供熱管道某段所具有的循環(huán)溫度差值相對較大時，彎頭處相應(yīng)的彎矩可允許變化的范圍區(qū)間就會較小，轉(zhuǎn)角最大的平均計算臂長也會相應(yīng)減小。

3)彎頭所具有的形式。采用光滑彎頭的形式，應(yīng)力集中的情況要較采用焊接彎頭時相對好，而且也具備相對大的轉(zhuǎn)角最大平均計算臂長。

4)彎頭自身的壁厚。如果彎頭處管壁厚度值較大，則管道所擁有的強(qiáng)度也會相對大，轉(zhuǎn)角最大平均計算臂長也會較大。

3.2 機(jī)制彎管的應(yīng)力分析

下列分析中所采用的相關(guān)參數(shù)為：假定供熱管道埋設(shè)的深度為1.5 m，管道安裝時的溫度為-10 ℃，而供熱介質(zhì)所具備的最高溫度為130 ℃，供熱管道的壓力值為1.6 MPa，管道的循環(huán)終點(diǎn)溫度值為10 ℃。

機(jī)制彎管曲率半徑和柔性系數(shù)計算公式如下：

Rc=R

(1)

K=1.65/λ

(2)

其中，Rc為彎頭位置的計算曲率半徑；R為彎頭位置的實(shí)際曲率半徑；K為彎頭具有的柔性系數(shù)；λ為彎頭具有的尺寸系數(shù)。

依照規(guī)程中強(qiáng)度驗(yàn)算的條件，能夠得到在彎矩的影響下管道最大環(huán)應(yīng)力所發(fā)生波動的范圍，并且能夠推算得到彎頭位置的最大彎矩波動范圍。而假設(shè)所使用的管材不發(fā)生變化，彎頭位置的最大彎矩波動幅度和彎頭的轉(zhuǎn)角大小以及管道埋設(shè)的深度不存在關(guān)聯(lián)性，僅僅和彎頭的曲率半徑存在關(guān)聯(lián)。本研究中所采用的供熱管道具體參數(shù)如表1所示。

表1 選定的供熱管道參數(shù) mm

并在給定的相應(yīng)的參數(shù)下，計算R=3D,R=5D和R=10D不同情況下彎頭最大彎矩波動幅度，如表2所示。

表2 機(jī)制彎管最大彎矩 ×103 N·m

3.3 彎頭的計算臂長

如果供熱管道的參數(shù)、埋設(shè)深度以及供熱介質(zhì)最高溫度、循環(huán)終點(diǎn)溫度值等均一定，且為上述所假定的相應(yīng)值，彎頭位置所可以允許的最大彎矩波動幅度和彎頭的平均計算臂長以及彎頭所具有的曲率半徑存在一定的關(guān)聯(lián)性。因此，我們在確定了使用特定的供熱管道時，僅需將其計算臂長保持在特定的范圍之中，便能確保彎頭在供熱系統(tǒng)運(yùn)行時的安全與可靠性。依照本文中所設(shè)定的彎頭轉(zhuǎn)角和相應(yīng)的曲率半徑值，計算得到不同的轉(zhuǎn)角計算臂長，見表3。

表3 不同小角度轉(zhuǎn)角以及不同曲率半徑下的計算臂長 m

從表3中我們能夠得出，當(dāng)彎頭具有的曲率半徑不斷的增加，其計算臂長也會相應(yīng)的增大。如果彎頭的曲率半徑為R=10D，在0°～15°范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)角設(shè)計均為安全的。因此，如果供熱管道埋設(shè)施工時，現(xiàn)實(shí)條件允許應(yīng)當(dāng)盡量采用曲率半徑相對大的彎頭。

3.4 單斜接縫焊接彎頭的應(yīng)力分析

單斜接縫焊接方式彎頭的曲率半徑和相應(yīng)的柔性系數(shù)計算公式為：

Rc=rbm

(3)

K=1.52/λ5/6

(4)

式中：Rc——彎頭的曲率半徑； rbm——彎頭在橫截面位置處的半徑值； K——彎頭具有的柔性系數(shù)； λ——彎頭所具有的尺寸系數(shù)。

對于單斜接縫焊接的彎頭形式來說，其自身的曲率半徑將是特定值。因此，其所具有的最大彎矩波動幅度同樣也是固定的，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 彎頭最大彎矩值

而根據(jù)表4中數(shù)據(jù)，當(dāng)管道的埋設(shè)深度為1.5 m時，計算出相應(yīng)的臂長，見表5。

表5 各小角度轉(zhuǎn)角臂長 m

所以，和采用光滑彎頭的方式相比，采用單斜接縫焊接的方式所能承受的環(huán)應(yīng)力小很多。因此，對于實(shí)際施工時，要盡可能地采用光滑彎頭，使供熱管道施工時轉(zhuǎn)角管段涉及的處理工藝相對簡單。

4 小角度轉(zhuǎn)角管道采用的施工工藝

當(dāng)供熱管道進(jìn)行0°～15°小角度轉(zhuǎn)角管段施工時，經(jīng)常會涉及到下列的施工工藝：

1)采取較大的曲率半徑替換折角。

2)應(yīng)當(dāng)將管道自身的管壁厚度給予一定的加厚處理。

3)對于相對大的轉(zhuǎn)角，可以采用不同的小角度轉(zhuǎn)角管段連接來實(shí)現(xiàn)。

4)對小角度轉(zhuǎn)角管段設(shè)置加固裝置進(jìn)行保護(hù)。

5)對小角度轉(zhuǎn)角管段安裝相應(yīng)的補(bǔ)償裝置，以降低彎頭位置的應(yīng)力值。

5 結(jié)語

對于小角度轉(zhuǎn)角管段的設(shè)計，要依照現(xiàn)場的具體狀況，來制定合理的方法，從而確保其可以更加的具有安全性。在施工時要盡可能的采取光滑彎頭的形式，同時也要采取較大的曲率半徑。而對于小角度轉(zhuǎn)角管段的臂長控制，可以有效的改善彎頭位置的應(yīng)力情況。在實(shí)際的設(shè)計時不易達(dá)到?，F(xiàn)階段，我們在進(jìn)行小角度轉(zhuǎn)角管段的設(shè)計與分析中，依然還未形成相對健全的理論，也不具備豐富的經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過長期的堅持探索與研究，定會使我們更加全面、細(xì)致地掌握直埋敷設(shè)中小角度轉(zhuǎn)角管段的相關(guān)技術(shù)，同時也會在小角度轉(zhuǎn)角管段的設(shè)計中發(fā)揮更巨大的效用。

[1] 劉 博,崔 琪.高溫大直徑管道的應(yīng)力影響分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2016(2)：46-48.

[2] 王志剛,郭大成,谷萬冰,等.埋地?zé)嵊凸艿缽澒軕?yīng)力監(jiān)測分析[J].油氣田地面工程,2016(2)：63-65.

On stress analysis of 0°～15° puny angle corner in directly buried hot water pipelines

Liu Cuixia

(TaiyuanThermalPowerPlant,Taiyuan030024,China)

The paper introduces the types of elbow in the directly buried pipelines for the thermal system, analyzes the stress of the puny angle corner section from the calculation of the elbow strength, calculation of the length, and elbow stress of the monocline joint welding technique, and illustrates the construction craft for the puny angle elbow pipelines, so as to provide some reference.

directly bury, puny angle corner, stress

1009-6825(2017)06-0141-02

2016-12-11

劉翠霞(1983- )，女，工程師

TU991.36

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