直埋熱水管道鋼管壁厚的計(jì)算及對(duì)比

于小會(huì)

摘 要：集中供熱管網(wǎng)的鋼管壁厚既是影響管網(wǎng)安全運(yùn)行的技術(shù)問題，也是影響工程投資的經(jīng)濟(jì)問題。本文依據(jù)《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程 CJJ/T 81-2013》，計(jì)算出無補(bǔ)償直埋冷安裝、無補(bǔ)償直埋預(yù)熱安裝和有補(bǔ)償直埋安裝方案的熱水管道鋼管壁厚值，確定不同工況壁厚的決定因素，為集中供熱管網(wǎng)敷設(shè)方案的選擇提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：直埋熱水管道；壁厚；計(jì)算；對(duì)比

中圖分類號(hào)：TU995.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）03-0080-04

1 直埋熱水管道壁厚影響因素

依據(jù)《城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道技術(shù)規(guī)程CJJ/T 81-2013》，直埋熱水管道鋼管壁厚的影響因素包括：管道內(nèi)壓力、外部荷載、溫度應(yīng)力和局部屈曲，將不同影響因素的壁厚驗(yàn)算公式列于表1公式（1-5）。

2 大管徑直埋熱水管道鋼管壁厚計(jì)算

2.1 直埋無補(bǔ)償冷安裝方案

2.1.1 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)如表2所示。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算壓力1.6MPa，供水溫度為130℃工況下，各種因素的最小壁厚如圖1所示。

從圖1可以看出，在此工況下，局部屈曲是管道壁厚選取的決定性因素。

從圖2還可看出，各因素的計(jì)算壁厚基本隨管徑增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。各因素計(jì)算壁厚的差別，隨管徑的增大而增大。

計(jì)算壓力2.5MPa，供水溫度為130℃工況下，各因素最小壁厚如圖3所示。由于壓力升高，內(nèi)壓限定的最小壁厚略高于局部屈曲的計(jì)算值，成為該工況下選取管道壁厚的決定因素。

通過對(duì)比圖1與圖3可以看出，隨著壓力的升高，內(nèi)壓和內(nèi)壓加溫度應(yīng)力限定的最小壁厚大幅度提高，設(shè)計(jì)壓力對(duì)供熱管道鋼管壁厚的選取有重要影響。局部屈曲所限定的最小壁厚隨計(jì)算壓力升高略有下降。

比如DN1200管道，雖然在1.6MPa和2.5MPa的設(shè)計(jì)壓力下管道壁厚的選取值可能一致，管道都取14.0 +1.0=15.0mm（1.0為因尺寸公差而附加的壁厚），但主導(dǎo)壁厚選取的因素并不一樣。低壓力時(shí)，局部屈曲是鋼管壁厚的決定因素，高壓力時(shí)，管道內(nèi)壓成為管道壁厚的決定因素。

2.2 直埋無補(bǔ)償預(yù)熱安裝

2.2.1 計(jì)算參數(shù)

與無補(bǔ)償冷安裝的壁厚計(jì)算相比，預(yù)熱安裝僅在安裝溫度的取值上有所不同，而計(jì)算管道壁厚的公式中，只有局部屈曲的公式涉及到了安裝溫度t0，因此，只有預(yù)熱安裝局部屈曲的壁厚計(jì)算與無補(bǔ)償冷安裝不同。安裝溫度的取值為：t0=（t1+t2）×40%=56℃。

計(jì)算參數(shù)如表3。

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)比不同因素的計(jì)算壁厚，外部荷載成為決定壁厚的主要因素，與采用冷安裝時(shí)的結(jié)果大不相同。

比如DN1200管道，對(duì)比圖1與圖4可以看出，與冷安裝的計(jì)算壁厚相比，采用預(yù)熱安裝后管道局部屈曲的計(jì)算壁厚降低一半左右，在1.6MPa計(jì)算壓力下，可以使管道鋼管壁厚有效減薄。

從圖5可以看出，隨管徑增大各因素計(jì)算的最小壁厚差距加大，而對(duì)于較小管徑管道，各因素計(jì)算的最小壁厚趨同。體現(xiàn)了在大管徑管道鋼管壁厚計(jì)算時(shí)，分別驗(yàn)算各個(gè)影響因素的意義所在。

2.3 直埋有補(bǔ)償安裝

2.3.1 計(jì)算參數(shù)

采用表4和常規(guī)波紋管補(bǔ)償器參數(shù)，按表1公式（1-5）中各個(gè)過程量，經(jīng)過試算得到不同管徑管道在有補(bǔ)償敷設(shè)時(shí)的最小壁厚。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

表5中管道壁厚計(jì)算采用彈性應(yīng)力分析法，按一次應(yīng)力與二次應(yīng)力共同作用下的最小值。而按內(nèi)壓與外部荷載計(jì)算的壁厚與無補(bǔ)償直埋冷安裝的結(jié)果一致，直埋有補(bǔ)償敷設(shè)軸向壓力遠(yuǎn)小于無補(bǔ)償敷設(shè)，可不考慮局部屈曲的影響。

從圖6、圖7可以看出，1.6MPa下，對(duì)于大管徑直埋管道內(nèi)壓加溫度應(yīng)力為壁厚計(jì)算的決定因素，外部荷載僅此之，且管徑越大二者越相近。管徑越小，內(nèi)壓加溫度一應(yīng)力對(duì)壁厚的決定作用越明顯。

從圖8、圖9可以看出，在2.5MPa計(jì)算壓力下，對(duì)于DN800以上管道而言，內(nèi)壓是鋼管壁厚的決定因素。隨著管徑變小，內(nèi)壓加溫度應(yīng)力的計(jì)算壁厚與內(nèi)壓計(jì)算的壁厚差距減小，當(dāng)管徑小于等于DN800時(shí)，已成為鋼管壁厚的決定因素。

3 結(jié)語

3.1 管道壁厚的決定因素

在計(jì)算壓力1.6MPa，最高循環(huán)溫度130℃的條件下：對(duì)于無補(bǔ)償冷安裝的直埋供熱管道，局部屈曲是鋼管壁厚的決定因素；對(duì)于無補(bǔ)償預(yù)熱安裝，外部荷載成為鋼管壁厚決定因素；對(duì)于有補(bǔ)償直埋安裝，內(nèi)壓加溫度應(yīng)力是鋼管壁厚的決定因素。

在計(jì)算壓力2.5MPa，最高循環(huán)溫度130℃條件下：由于內(nèi)壓引起的應(yīng)力大幅上升，內(nèi)壓成為無補(bǔ)償冷安裝和預(yù)熱安裝鋼管壁厚的決定因素；在有補(bǔ)償敷設(shè)中，DN800以上管道鋼管壁厚也由內(nèi)壓決定，而DN800及以下管道，內(nèi)壓加溫度應(yīng)力是鋼管壁厚的決定因素。

3.2 不同安裝方式對(duì)壁厚的減薄作用

對(duì)比1.6MPa、130℃工況，預(yù)熱安裝和有補(bǔ)償直埋安裝較無補(bǔ)償冷安裝方案都能降低鋼管壁厚1至4mm，且預(yù)熱安裝對(duì)管壁的減薄作用更為突出，管材投資可大幅減少，但增加了電預(yù)熱費(fèi)用，有補(bǔ)償直埋安裝方案也能降低管材投資費(fèi)用，但增加了補(bǔ)償器投資費(fèi)用，一般補(bǔ)償器投資費(fèi)用遠(yuǎn)大于電預(yù)熱費(fèi)用，應(yīng)綜合比較管材減少費(fèi)用、電預(yù)熱增加費(fèi)用、補(bǔ)償器投資增加費(fèi)用以及實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)，確定無補(bǔ)償預(yù)熱還是無補(bǔ)償冷安裝方案。

對(duì)比2.5MPa、130℃工況，較無補(bǔ)償冷安裝方案，無補(bǔ)償預(yù)熱安裝和有補(bǔ)償安裝絕大多數(shù)情況下都不能降低鋼管壁厚，甚至出現(xiàn)有補(bǔ)償DN800以下管道的壁厚較無補(bǔ)償壁厚增加的情況，因此，在這種工況下應(yīng)優(yōu)先選用無補(bǔ)償冷安裝方案。

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