大管径直埋供热管道的设计计算与安装方式 (论文)

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1、区域 供 热2 0 1 4 1期 大管径直埋供热管道的设计计算与安装方式 秦皇岛市热力总公 司 张海宁鹿超孟令超 【 摘 要】针对大管径直埋供热管道与小管径管道在设计计算上存在的主要差 异， 讨论 了大管径管道的局部屈曲和截面椭圆化变形、 管件及其他连接部位的控制与 保护 、 土壤摩擦力计算、 内压作 用影响等 问题 ， 并提 出了大管径 管道的基本设计原则 和管道安装方式。 【 关键词 】 大管径 直埋供热管道计算设计原则 安装方式 0 引言 大管径( 公称直径大于 D N 5 0 0 ) 直埋供热 管道在城镇集 中供热系统中已经普遍使用 ， 有的地方已用到了 D NI 4 0 0 。 大管

2、径管道作为 供热一级主管 网， 运行压力和温度高 ， 使用年 限长 ； 同时 ， 工程量大 ， 造价高 。但是 ， 目前却 没有一个大管径管道的设计规范 ( 城镇直埋 供热管道工程技术规程 只适用于小于或等 于 D N 5 0 0的管道) 。从检索到的文献看 ， 有关 的实验研究还不完善 ， 不够系统全面。其结果 是实际工程中容易 出现管道的安全性和经 济性统筹考虑不足 ， 顾此失彼 ， 增加了管 网的 运行风险或工程造价。 在综合 分析研究 相关文献 资料 的基 础 上 ，本文通过借鉴国内的一些重要研究成果 及欧洲供热技术 ，全面地 阐述了大管径管道 与小管道在设计计算上存在 的主要差异 ；

3、 并 针对工程实际，提出了目前大管径管道 的基 本设计原则和安装方式 ，希望以此来实现供 热管网的安全经济运行 。 1 管道的应力计算 1 1 直管段 大管径直埋供热管道 的直管段 。除 了进 一了 8一 行塑性流动 、循环塑性变形和竖向稳定性等 验算外 ，还需要进行管道的局部屈曲和截面 椭圆化变形验算 。 1 1 1 局部屈曲 管道热胀 时，轴向应变得不到释放会产 生轴 向压应力 ，引起管道局部集中的塑性变 形 ， 就是局部屈曲或皱折。局部屈曲出现在承 受高轴向压应力和截面内存在缺陷部位的管 道系统中。截面内缺陷指管道 的几何尺寸和 焊接定位偏差 、 壁厚变化 、 环状焊缝厚度不足 等 。

4、局部屈 曲的验算方法 ，目前主要有欧洲 E N1 3 9 4 1 标准方法和临界应力推算法等 。 经 查 ， E N1 3 9 4 1 标准引用了 E N 2 5 3标准。 而现行 E N 2 5 3 2 0 0 9标 准 中 管 道 规 格 已 达 到 了 D N 1 2 0 0 。 所 以， 采用 E N1 3 9 4 1 2 0 0 9标准提出 的局部屈 曲应变极限分析法应 当是比较适宜 的方法 ： 当 r m 42 8 7时 ， A e 2 8 7 时， f 4 5 8 + 0 0 0 3 1 O ， m ( 2 ) 式中： r ，广钢管的平均半径 ， m； 钢管公称壁厚 ， m； 钢

5、管的应变。 式 ( 2 ) 为针对大管径管道 的局部屈 曲验 算条件。在管道不存在截面内缺 陷情况下 ， 局 部 屈 曲的可 能性 随钢管平均 半径增 大而 增 加 随管壁增厚而减小 。当管道不能满足局部 屈 曲验算条件时 ， 应增加壁厚 。否则 ， 需采用 预应力或有补偿的安装方式 ，来控制轴 向应 力 。 1 1 2 截面椭圆化变形 埋地 管道上 交通 车辆 和土壤 的垂 直 荷 载 ， 使管壁 内产生环 向压缩应力 ， 导致钢管 的局部截面椭 圆化变形 ，变形量过大时管壁 将 出现屈服。按照文献 5 规定 ， 直埋管道椭 圆化变形量不得大于钢管外径的 3 ， 变形量 计算如下 ： =_

6、J 0KoW6r1玎 ( 3 ) t ： 式 中 ： 钢管水平 径 向最 大的变 形量 ， I n ； 卜钢管变形滞后系数 ， 取 1 5 ； 钢管基座系数 ； 单位 管 长上 的 总垂 直 荷载 ， MN I n ； r ， 钢管的平均半径 ， I n ； E 钢材的弹性模量 ， MP a ； ， 一 单位长度管壁截面的惯性矩 ， m4 m； 钢管公称壁厚 ， i n ； E 回填土的变形模量 ， MP a 。 截面椭圆化变形与管道的热应力无关 ， 和内压作用有关 。 我 国采暖用热水管道 ， 通常 要在非采暖季进行放水检修 ， 因此 ， 应该依照 式( 3 ) 做无内压状态的钢管变形量计算

7、。 椭 圆化变形 还 与安装位 置 ( 如 车 行道 下 ) 、 覆土深度有关 。在敷设条件 ( 即垂直荷 载 ) 一定 的情况下 ， 钢管平均半径越大 ， 变形 区域供 热2 0 1 4 1 期 也越大 ； 管壁越厚 ， 变形越小 ， 存 在着一个变 形的临界壁厚。 1 1 3 增加钢管壁厚能防止局部屈曲和 截面椭圆化变形 小 管径 管道 ，无论 是直埋 保温 管标 准 ( C J r I 1 1 1 4 2 0 0 0 )还 是 目前 国内钢 管生产 系 列 ， 其公称壁厚都远大于内压力所需壁厚 ， 满 足局部屈 曲和椭 圆化变形 的应力验算条件。 所 以，不存 在上述问题 。而大管径管道

8、则不 然 ，局部屈曲和截面椭 圆化变形 已成为其主 要 的失效方式 。当高工作压力下直管段满足 局部屈曲验算条件后 ，管道将不会再发生循 环 塑性 变形 。 1 2 管件及其他连接部位 直埋供热管道系统 中的弯头 ( 弯管 ) 、 三 通 、 变径 、 小角度折角 、 发生定位偏差的焊缝 等管件及部位 ， 应力集中程度很 高， 其破坏是 一种低循环疲劳断裂。控制方法是估算这些 薄弱环节的疲劳寿命 这种低循环疲劳寿命 计算对于这些薄弱环节起着决定性作用 。 使用 P a l m g r e n Mi n e r 公式 ，验证防止循 环疲劳的安全性 ： ( 4 ) 式 中 ： n 广一 设计应力范

9、围 的实际作用循 环次数 ： 设计应力范 围 所对 应的设计 最 大 允 许 循 环 次 数 ， = ( ) ； 不同的应力范围序号 ； 广疲劳破坏的安全系数 ； 应力变化范围， M P a 。 按 照工程 的安全等级 ， 分别为 5 、 6 6 7 和 l O ， 高压大管径管道 应取 l 0 。 一次最大 作用循环是从运行温度降至土壤温度再升至 运行温度的变化过程。对应不同管道类型， 工 程上给出了最大的作用循环次数 ， 见表 1 。从 式 ( 4 ) 可 以看出 ， 对大管径 管道 ， 设计管道 的 一 9一 区 域 供 热2 0 1 4 1期 表 1 不 同管线类型对应的最大作用循环次

10、数 表 2 锚 固段管道的最大允许无保护折角 管道类型 最大作用循环次数 次 主干线 l 0 O 2 5 0 支干线 2 5 0 - 5 0 0 用户支线 1 0 0 0 2 5 0 0 最大允许循环次数 需 有 l 0倍于工程要求 的安全裕 量 。 由于大管径管道使用年限长 ， 弯头 、 三通 等位移量又 比较大 。 所以， 对管件及其他连接 部位 ， 设计上应采取有效的控制和保护措施 。 1 2 1 弯头、 三通 弯头要使用中频推制或热煨的方法由直 管制成 ，而不能使用由直管焊接成 的单节或 多节斜接缝弯头。 在过渡段 ， 管道 的活动端 、 弯头和三通分 支等处的最 终设计位移量必须始终

11、被允许 ， 即在这些地方采用膨胀垫块或加厚砂层形成 的砂缓冲垫层保证其膨胀 ， 必要时做空穴( 不 通行地沟) ， 从而使管道系统更具有柔性。 膨胀垫块在热力、 机械和化学作用下 应 具有稳定 的特性。垫块的吸水率要低 ， 变形后 恢复性要好 ，并耐腐蚀 。有 的工程用岩棉管 壳 ， 如防水做不好 ， 恐难有效 。设计上应根据 计算位移量 ， 对膨胀垫材质性能 、 尺寸及安装 长度等做出明确规定 ；要考虑管道 的使用年 限内， 膨胀垫老化问题 ； 在放置膨胀垫块 的地 方 避免 P E外套管的温度高于 5 0 。 1 2 2 小角度折角 工程上常使用小角度折角来满足管道走 向的变化 。 大管径

12、管道的刚度大， 折角吸收热 胀变形的能力很小 ， 随着管径 的加大， 折角处 极易出现局部皱结和疲劳破坏。 最大折角取决于连接位置 、 轴向应力。在 管道的锚固段 ，高轴向应力下将不允许 出现 无保护折角 ， 如表 2 。 对过渡段管道 ， 随轴向应 力减小 ， 折角角度可适 当放大些。 D N 5 0 0以上 管道 ， 温差大于 1 2 0 C 时 ， 无保护措施的最大 允许折角不应大于 1 4 。 【 。 4 0 最大温差 最大折角 9 0 2 。 1 00 1 。 1 1 0 0 5 。 1 1 0 0 。 超过最大折角允许值的 ，需考虑采用大 曲率半径的弯管或在附近设置固定墩或补偿 器

13、 ， 以消除潜在隐患。 1 2 - 3 变 径管 变径管应与主管道 同轴 ( 即同心变径) ， 其圆锥体锥角的一半 o 【 3 0 。 ，变径管圆锥体 的壁厚计算如下 ： ： ( 5 ) Z O“ d COS O O d - 式 中 ： 沿圆锥方向任意点的最小壁厚 ， m ； 厂管道计算压力 ， MP a ； D 沿 圆锥方向任意点截面的钢管外 径 ， m； 纵向焊缝系数 ； 圆锥体锥角角度的一半 ； 管道屈服极限， MP a 。 2 土壤摩擦力计算 2 1 影响摩擦力的因素 大管径管道摩擦力 的计算与小管道有 以 下三点不 同： 1 )小管径管道的 自重对摩擦力影响较 小 ， 可以忽略。但

14、随着管径增大 ， 管道 自重对 摩擦力的影响会越来越大 ， D N 5 0 0 mm以上管 道 ， 其影响比例达 5 到 9 。 2 ) 由于土壤存在着消力拱 的作用 ， 小管 径管道的保温结构又较小 ， 计算摩擦力时 ， 覆 土深度超过 1 5 m， 仍按 1 5 m计算 。大管径管 道的结构断面很大 ； 同时， 为躲避地下市政管 线和障碍物， 其埋深常会超过 1 5 m， 有时甚至 达到 5 - 6 m， 再以 1 5 m为界 ， 计算覆土深度 已 经不合适。 3 ) 较高的地下水位对摩擦力的影 响不应 被忽视 。 沿海城市的地下水位通常都在一 1 0 m 左右。 2 2 摩擦力计算公式

15、鉴于大管径管道摩擦力计算与小管道存 在较大差异 ，在 国内还没有相关实验数据的 情况下 ，目前只能参照欧洲供热设计标准 。 设计时还需根据管道实际敷设条件 ， 从安全 、 经济等方面综合考虑来计算。其公式为 ： or vrr D c+ G g 仃 ( D c ) ( 6 ) 当 Z H时， g 日 g ( Z - H) 当 Z日时 ， g z 式中： 管道单位长度摩擦力 ， N m； 土壤摩擦 系数 ； 厂一 静止土压力系数 ， 对砂土 ， 取 0 5 ； 广管中心土壤应力 ， N m ； D 保温管外壳的外径， m； G 管道带水 自重 ， N m； P 地 下水位 线 以上 的土壤 密度 ， k g m 3 ； r重力加速度， m s ； Z 一 管中心线埋深 ， m； H地下水深度 ， m； p 一地下水位线以下饱和土壤密度与 水密度之差 ， k g m 。 3内压 作用 影 响 内压力作用相对温度作用而言 ， 影响小。 所 以， 在小管道 的一些计算上做了简化处理。 对大管径管道 ，这样计算的结果将产生较大 偏差。