直埋蒸汽管道折角管段應力計算

錢 琦， 周 游， 于洋洋， 石 磊

(1.中國城市建設(shè)研究院有限公司，北京100120；2.中國城市建設(shè)研究院有限公司東北分院，黑龍江哈爾濱150006；3.哈爾濱工業(yè)大學建筑設(shè)計研究院，黑龍江哈爾濱150001)

1 概述

蒸汽管道直埋敷設(shè)占地少，對城市景觀影響小，社會環(huán)境效益好。另外，蒸汽管道直埋敷設(shè)施工速度快，還能減少建材用量和土建費用，具有保溫效果好、熱損耗低等優(yōu)點。近年來，在集中供熱領(lǐng)域得到廣泛應用。本文提出直埋蒸汽管道折角管段的布置方案，采用Bentley AutoPIPE管道分析軟件對不同布置方案的設(shè)計參數(shù)范圍進行校核計算。

2 折角管段布置方案

布置方案1：在靠近彎管一側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座A，遠離彎管一側(cè)設(shè)置波紋管補償器、內(nèi)固定支座B，見圖1。內(nèi)固定支座A、B間距應符合補償器安裝要求，工作管熱伸長量應小于波紋管補償器的軸向補償量。布置方案2：在彎管兩側(cè)分別設(shè)置內(nèi)固定支座且兩側(cè)臂長相等，形成L形自然補償器結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 布置方案2

3 應力校核方法

① 一次應力

工作管在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓力、自重和其他持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應力之和(即一次應力)應滿足DL/T 5366—2014《發(fā)電廠汽水管道應力計算技術(shù)規(guī)程》式(7.3.3)的規(guī)定：

σL≤σt,all

式中σL——管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外載產(chǎn)生的軸向應力之和，MPa

p——設(shè)計壓力，MPa

di——管子內(nèi)直徑，mm

do——管子外直徑，mm

i——應力增加系數(shù)

MA——自重和其他持續(xù)外載作用在管道橫截面上的合成力矩，N·mm

W——管道抗彎矩截面系數(shù)，mm3

σt,all——鋼材在設(shè)計溫度下的許用應力，MPa，本文設(shè)計溫度300 ℃下取101 MPa

應力增加系數(shù)i按DL/T 5366—2014附錄B表B.0.1計算：

式中h——尺寸系數(shù)

δn——管子的壁厚，mm

ρ——彎管曲率半徑，mm

r——管子平均半徑(管子內(nèi)半徑與外半徑的算術(shù)平均值)，mm

管道抗彎矩截面系數(shù)W的計算式為：

② 二次應力

管道在工作狀態(tài)下，熱脹應力范圍(即二次應力)應符合DL/T 5366—2014式(7.3.5-1)的規(guī)定：

σE≤f[1.2σ20+0.2σt,all+(σt，all-σL)]

式中σE——熱脹應力范圍，MPa

MC——熱脹引起的合成力矩范圍(按全補償值和鋼材在20 ℃時的彈性模量計算)，N·mm

f——熱脹應力范圍的減小系數(shù)

σ20——鋼材在20 ℃時的許用應力，MPa,本文取245 MPa

管道在工作狀態(tài)下，當一次應力、二次應力與設(shè)計溫度下許用應力的比(以下分別簡稱一次應力比、二次應力比)小于等于1時，認為安全。

4 應力計算分析

4.1 模擬方法

項目地點位于陜西楊陵區(qū)。利用Bentley AutoPIPE管道分析軟件建立折角管段模型[1]。設(shè)計壓力為1.6 MPa，設(shè)計溫度為300 ℃。工作管為螺旋縫雙面埋弧焊接鋼管(20鋼)，規(guī)格分別為D273×6、D325×8、D426×8、D529×9、D630×9，分別對應DN 250 mm、DN 300 mm、DN 400 mm、DN 500 mm、DN 600 mm。彎管曲率半徑為3倍管道外直徑，熱脹應力范圍的減小系數(shù)f取0.9。模型驗算標準采用ASME B31.1《動力管道》。蒸汽管道采用外滑動內(nèi)固定鋼套鋼預制直埋保溫管，保溫層采用離心玻璃棉+雙層反射鋁箔。DN 250、300、400、500、600 mm工作管的單位長度保溫材料自重分別取60、95、140、200、240 N/m。

4.2 布置方案1

內(nèi)固定支座B與彎管水平間距為50 m，彎管與內(nèi)固定支座A的水平間距為0.4 m，采用軸向外壓型波紋管補償器。DN 250、300、400、500、600 mm軸向外壓型波紋管補償器的軸向剛度分別取356、492、606、578、996 N/mm。布置方案1彎管、內(nèi)固定支座A的一次應力比、二次應力比隨折角(5°～90°)的變化分別見圖3、4。

由圖3、4可知，折角為5°～90°時，布置方案1彎管、內(nèi)固定支座A的一次應力比、二次應力比均小于1，說明折角為5°～90°時布置方案1的彎管、內(nèi)固定支座A安全。當折角大于60°后，彎管、內(nèi)固定支座A的一次應力比、二次應力比隨著折角的增大明顯增大。因此，考慮彎管、內(nèi)固定支座A的安全，折角宜控制在60°以下。

圖3 布置方案1彎管的一次應力比、二次應力比隨折角(5°～90°)的變化

4.3 布置方案2

① 固定臂長

彎管兩側(cè)臂長均為6 m時，布置方案2彎管、內(nèi)固定支座的一次應力比、二次應力比隨折角(40°～90°)的變化分別見圖5、6。由圖5、6可知，彎管兩側(cè)臂長均為6 m，當折角為80°～90°時，彎管、內(nèi)固定支座的一次應力比、二次應力比均始終小于1，說明彎管、內(nèi)固定支座比較安全。

圖4 布置方案1內(nèi)固定支座A的一次應力比、二次應力比隨折角(5°～90°)的變化

圖5 彎管兩側(cè)臂長均為6 m時布置方案2彎管的一次應力比、二次應力比隨折角(40°～90°)的變化

② 變臂長

折角為90°時，布置方案2彎管、內(nèi)固定支座的一次應力比、二次應力比隨臂長(2～16 m)的變化分別見圖7、8。由圖7、8可知，折角為90°時，彎管臂長控制在6～8 m，彎管和內(nèi)固定支座的一次應力比、二次應力比均小于1，說明彎管、內(nèi)固定支座比較安全。

圖7 折角為90°時，布置方案2彎管的一次應力比、二次應力比隨臂長(2～16 m)的變化

③ 彎管保溫結(jié)構(gòu)

為保護工作管在彎管處的熱位移不受約束，應在彎管外弧一側(cè)的保溫層與外護管間留出位移空間。因此，彎管處的保溫結(jié)構(gòu)采取偏心設(shè)置(見圖9)，使保溫層不被破壞。

圖9 彎管處的保溫結(jié)構(gòu)

圖6 彎管兩側(cè)臂長均為6 m布置時方案2內(nèi)固定支座的一次應力比、二次應力比隨折角(40°～90°)的變化

5 結(jié)語

提出直埋蒸汽管道折角管段的布置方案，將一次應力、二次應力與設(shè)計溫度條件下的許用應力的比小于等于1作為判定條件，采用Bentley AutoPIPE管道分析軟件對不同布置方案的設(shè)計參數(shù)進行校核計算。對彎管保溫結(jié)構(gòu)的偏心設(shè)置進行分析。

圖8 折角為90°時布置方案2內(nèi)固定支座的一次應力比、二次應力比隨臂長(2～16 m)的變化