大直徑L型直埋供熱管道位移分析

【摘要】管道在實際工程中需要面臨不同的工作情況。現(xiàn)階段，研究主要針對直埋供熱管道應力的分析，對位移的變化情況研究較少。文中采用有限元分析的方式，對L型供熱直埋管道在兩端自由和兩端法向約束兩種邊界條件下的位移分布進行分析，探究了管徑的影響作用。研究結果表明，隨著溫度荷載升高，兩種邊界條件下的位移變化情況不同，管道兩端自由時，位移由中部一點向兩側伸長；兩端法向約束時，位移向彎管端產生積累。隨著管徑增加，位移值呈小幅度增長。

【關鍵詞】供熱直埋管道；有限元分析；位移

【中圖分類號】TU990.3 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）07-0121-03

0 引言

目前，工程中使用的直埋供熱管道已經達到了1 600 mm，一些學者也針對大直徑管道開展了研究。臧炯杰、任鵬召、白云丹[1-3]研究了大直徑管道在屈曲過程中的位移及應力應變分布變化情況，得到了影響管道局部穩(wěn)定性的因素。李明強[4]針對大直徑供熱管道的應力特性和穩(wěn)定性展開了研究，并分析了直管段、彎管段和變徑管段三種類型管道在埋深、內壓影響作用下的應力水平。

針對大直徑直埋管道的分析主要集中在應力應變的方面，對位移不進行論述或者只占用很小的比例。賈洋磊[5]分析了管道的變形和應力的分布規(guī)律，得到不等長L型管段軸向位移和水平側向位移的分布情況。VILLALOBOS F等[6]進行了小型試驗，設計L型管道在兩端被固定的情況下，位移的分布情況。結果表明，位移在彎管端位置最大，并且沿著固定端向彎管端呈現(xiàn)增加的趨勢。

目前，基于此類研究和模擬研究不夠全面，并且需結合實際工程中管道面臨的多種工況。文中對等臂長L型供熱直埋管道在兩端自由和兩端法向約束兩種邊界條件下的位移分布進行分析，并且探究了管徑的影響作用。

1 有限元模型

根據實際工程建立管－土接觸下的彎管段有限元物理模型如圖1所示，鋼管管徑分別為1 000、1 200、1 400、1 600 mm的管道模型。材料屬性參數如表1所示，管道內壁施加1.6 MPa壓強，設計管道預熱溫度為10 ℃ ，并在管道升溫至95 ℃ ，分析在85 ℃溫差下，管道發(fā)生的變形情況。

2 兩端自由位移分析

如圖2所示，1 000 mm直徑鋼管的位移最大值出現(xiàn)在端部位置，為15.3 mm；最小值在直管段靠近彎管一端位置，數值為4.29 mm。由此初步判斷，鋼管的位移主要向自由端部累積。當鋼管直徑增大為1 200、1 400、1 600 mm時，最大值位置仍然在鋼管端部位置，最大位移值分別為16.7、17.1、21.3 mm；最小值均位于直管段偏于彎管位置，最小位移值分別為3.92、3.59、3.13 mm。通過位移最值來看，隨著管徑增大，位移最大值增大，管徑由1 000 mm增加到1 600 mm，位移最大值增加了6 mm，變化率為16.4%。意味著管徑的增大并不改變位移的分布情況和產生變形的方式，只是增大了管道的變形量。

3 兩端法向約束位移分析

如圖3所示，1 000 mm直徑鋼管的位移最大值出現(xiàn)在彎管內側45°中心線位置，位移值為13.9 mm，由此初步判斷，鋼管的位移主要向彎管段位置集中。當鋼管直徑增大為1 200、1 400、1 600 mm時，最大值位置仍然在彎管內側45°中心線位置，最大位移值分別為15.53、15.67、20.22 mm。由于兩端法向固定，端部在軸向的位移值為0，所以位移最小值均出現(xiàn)在端部截面位置，并且數值接近于0，故此主要分析位移最大值。通過位移最值來看，隨著管徑增大，位移最大值增大。由1 000 mm管徑增加到1 600 mm管徑，位移最大值增加了6.32 mm，變化率為18.5%。管徑增大并不能改變位移的分布情況和產生變形的方式，只是增大了管道的變形量。

4 結語

文中分析了在鋼管兩端無約束和兩端法向約束兩種邊界條件下的位移分布情況，并結合不同管徑進行對比。得到以下結論：

1）管道兩端無約束固定情況下，隨著溫度增加，位移量向自由端部累積較大，最大值產生在自由端部位置；兩端法向約束時，隨著溫度增加，位移量向彎管位置累積，最大值出現(xiàn)在彎管45°中心線內側位置。

2）管徑越大，位移增量越大。管徑由1 000 mm增加到1 600 mm時，位移最大變化率在20%左右。

3）當管徑較大、溫度較高時，要關注位移的變化情況。位移較大情況下，可適量增加鋼管壁厚，降低鋼管膨脹量，保證其安全性。

參考文獻

[1] 臧炯杰.大直徑直埋熱力管道局部穩(wěn)定性的有限元分析[D].天津：天津大學，2019.

[2] 任鵬召.大管徑直埋供熱管道受力與穩(wěn)定性分析[D].北京：北京科技大學，2019.

[3] 白云丹.DN1400非對稱Z形直埋供熱彎管應力特性研究[J].區(qū)域供熱，2022（6）.117-123.

[4] 李明強.大口徑供熱直埋熱水管道曲管的研究[D].太原：太原理工大學，2015.

[5] 賈洋磊.L形直埋敷設供熱管道的三維有限元靜力分析[D].天津：天津大學，2016.

[6] VILLALOBOS F，HAY S，WEIDLICH I.Monitoring in a district heating pipeline system[C]∥International symposium on Energy Geotechnics·Springer，Cham，2018.

[作者簡介]劉洪波（1976—），男，教授，博士，碩士生導師，研究方向：高層鋼結構、土木工程材料、地震工程。

[通信作者]張晶（1979—），女，副教授，碩士生導師，研究方向：防災減災工程、土木工程材料、工程項目管理。