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1、焦作工学院硕士学位论文直埋供热管道弯头应力状态的弹性理论分析姓名：张小趁申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：孙云普20020601摘要摘要本论文对直埋供热镎道弯头及过渡段部分进行了受力、位移、内力、弯矩的分擀计算。在供热管道赢逢敷设技术中，弯头部分受力情况十分复杂，其位移、应力分析计算相当困难。以往设计计冀时，通常是将弯头简化为一个点，结果不够精确。本论文根据弹性薄壳理论，将弯头作为环壳的一部分进行受力和应力分橇，建立方程，罄次褥懑弯头经移懿解辑瓣，麸蔼褥鬟簿头瓣凌力与弯矩，提毫了计算的精确性。关键谲：壹援弯头过渡毅薄壳环壳焦作工学院硕士学位论文A b s t r a c t懿i s 疆
2、e sp f e s 髓t s 鑫觳壤y s e so f 燃t 蝴基 b 羚e s ，蹭l a c e 掇黝 s ，i 叠t e 臻簇f o r c e sa I l db e n d i n gm o m e n t sa tp i p ee I b o wa n dc y l i n d r i c a ls h e l l I nt h et e c l m i q u eo fd i r e c t b 1 1 r i e dh e a t i n gp i p e ，e x t e m a lf o r c e so fp i p ee l b o wa r ev e 搿e o 氆
3、p l i c 激甜，碱i c 魏l e 甜s 韬凌ee 采穗鑫圭i o 珏纛i 裁镰l 锣醴赫整掇】t sa 聪s t r e s s B e c a u s ep i p ee l b O ww a ss i m p l i 最e da sap o i n t ，t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r en o tp r e c i s ee n o u g hi nf o m e rd e s i g n s A c c o r d i n gt ot b e o 秽o fe l a s t i c攮i 撞矗e l l ，鞴辫怒i 鲳壤e
4、p i p ee l b o w 豁ap 基建醴专o r o i d a ls h 骥l ，氆e 氆e s i sa c q u i r e st h ea n a l 舛cs o l u t i o no f p i p ee l b o wd i s p l a c e m e n t sf b rt h e 蠡r s tt i m eT h e nt h ei m e m a lf o r c e sa n db e n d i n 鐾m o m e n t sa r eo b t a i n e d 1 ( e yw o r d s ：D i r e c t - b u r i e d
5、P i p ee m o w7 r r a n s i t i o np a nT 赵i ns h e nT o r o i d a | s h e l l2l 绪论1 1 管道研究的意义羔绪论交通运输是国民经济的命脉，是人类社会生产和生活不可缺少的活动方式。交通运输系统是一个国家、一个邃区缀济运转和社会活韵赖醣进行的簸基本设施。蛰道运竣司其他运输方式棚比如：公路、铁路、水运、航空运输等，有以下优势：运送黧大，输送戒本低：占用地少，有利环境生态保护；建设周期短，费用低，经济效益好；安全可靠，连续憋强，耗戆少，成本低，综台效蕊好。专家认为正在进行的西部大开发建设，应本饕经济效益原则、生态平衡原则
6、、环境保护原则和可持续发艇原则等，在广大的西部魄区广泛采用管道运输方式。世界上第一条运输管道建于1 8 7 2 年。我国第条运输管邋建于1 9 7 0 年，虽然越步较晚，德近年来受到阐家有关部门的高廉重视，发展十分迅速。秘 l 誊，我国正致力予翘划建设三条全国性的管阚系统：原油管网，在东北、华北、华东将酋先形成输油管网；天然气管潮，主簧解浃簿谣鄢资源与东部市场的连接淘题，实魏“川气入汉”；成品油管网。热力警遥是管溺系统中豹一秘，它广泛戆震予蠛隶供热，毅及动力、化王、石油、轻工、冶金、机械等工业部门，是许多行业的重螫组成部分。随着现代化大工业的发展，热力管道越来越受到人们的重视。但醇前在热力管道
7、中键存在萋些阉题口3 ：酋先，城市热网造价较高是影响城市供热发展速度的主要因素之一。据调查，热网建设费阁约占区域供热系统怂投资静4 0 6 0 ，它是酝域供熟中1焦馋量学院磺士学位论文投资最多瓣部分。城市供爨工翟，由予热圈逡徐十分墨赛，资金筹划瓣难，蠢的工程不得不适当延缓建设进度，有的工程可能因此“下马”。所以，降低热网造价十分必要，而且 分迫切。第二二，节能问题电是一个重要毽素。1 9 9 7 年，建设部瓣技委测主任诲滚烈同志曾在“全国供热系统节能科技情报网”成立大会上指出，能源问题是当今卺界蚤溺所萄稿静重大撬战之一，供燕节能工作是菲常重要的一个方面，目前，我国每年有相当于十几亿吨标准煤的能
8、源用于供热采暖，占全国能源淡费量的1 3 6 。毽诧，合疆戆设计纛建设熬力管两系统，是降低热瘸选徐、兖分稍矮麓瓣的必要保证。另外，随着热力管网的管径越来越大，输送距离及供热半径越来越大，对管道懿敷设工芝期謦莲夔毒睚棱性越、运浚温度提出了更裹瓣要求。嚣戴，对予热网的更为精确的设计、计算和施工方法的需要也怒迫在J 嗣睫，它不但牵涉到熬个区域彳共热系统的可靠运行，而且与区域供热系统的经济效益密切相关。城市热网过去一轰沿用地沟敷设方式埋设管道，此秽方法存在着投资离、结构庞大、材料消耗多、施工周期长、占地面积大等缺点。长期以来，它严爨影稳了藏市熬位发菇的速度。改交敷设方式是煞阚建设中遗甥需要解决的闻越。
9、1 2 管道直淫敷设技术随蓉城市热仡的发展，一种新的敷设方式应运而生，这就是供热管道直蠼敷设技术。供热管邋童埋技术是搬搀予剩螅保温管邋壹接蠼入地下，利用鸷遵的自身机械强度，承受管邋供热时产生的应力的一项新技术，它是针对过去管邋敷设方式静一种援术迸梦。国海外壹壤技术的发袋，已经有7 0 余年的历史，2 0 世纪3 0 年代，原苏联最先采用泥煤做保澄材料，4 0 年代又改用浇瀵泡沫溉凝土作为直埋篱道的保温材料。实践证明，这些保温材料吸水率大，直埋管邋瘸键严鬟。疆港毫分予技术静发袋，2 0 遵纪5 0 年代裙，美阉、丹麦葙熬拿大等国的各大公司对予制保温管技术进行研究改进，使这项技术逐步得到完善和发媵
10、3 。2l 绪论预制保温管直埋敷设技术是在2 0 世害己8 0 年代引进我国的。由于其嶷有高效、节能、经济等突滋优点，近年泉，f j 经褥弼广泛斑用。工程实蔽证曦，侠热管道妻埋敷设一般可节省约5 0 左右的投资，施工周期可缩短一半左右，而且施工方法简便。因此，采用供热管道齑埋技术对城市规划、市容建设与改造氇憝极为有利懿疆蕤。改革开敖戳来，随着经济开发送鹣兴建、城枣老嚣嚣改造釉重新规划的实施，供热管道直埋技术更被广泛的应用。对这种新技术的采用，标志着我国城市建设朝稽节能、高效的方向迈进。壤攥窍关资料及王程实鞲应熏馕况，毫埋譬道夔敷设方式剪嚣耪。3 ；无於偿方式和有补偿方式：1 觅补偿方式。无毒
11、偿嶷埋敷设的蟹线不设羚偿爨，因薅可以节约镣材投资，这静敷设方式是在敞开的沟槽内把敷设的管子加热到预定温度，然聪在这一温度下迸行围壤。当热力管遂D 。 2 盯。，结构是不安定的。邋过上述分析，可以清楚的滑到，对于单向应力状态，保证结构安定性的条传楚；喁2 疋( a )上式中，仉为按弹性应力分析公式计算的名义应力。又因为以屈服极限为强度搬标昀许用应力梵b 】= 旦= 纠 “ 一上式中，8 ，尧安全系数，一般取1 5 a 斑式) 代入式( 8 ) ，可霉焦作工学院硕士学位论文。3 网对于复杂应力状态，安定性条件即为：嚷一气3 眵】再考虑2 0 静安全裕度，安定性条件帮为：吼一吼2 4 川茚，一一最大
12、主应力；以一一最小主应力；【盯】一一管道的基本许用应力。二十世纪六十年代，美国机械工程师协会( A s M E ) 提出，按照安定性分板理论，不闻鍪素弓l 起豹应力对结鞫兹霆害程浚旃缳大靛差掰，应该医爨对褥，结构的威力应分为一次应力、二次应力和峰值艘力。热力管道在内压、持续外载以及热胀、冷嫡等荷载作用下，其产生的应力薄警遒凝弓| 起戆酸坏髑产生夔效疲楚不耪曩瓣，获羧应当嚣剐嚣靖，给予不羁的限定。1 、一次应力一次鹰力是枣黪嬲蓑载雩l 起黪垂痘力秘剪疲力。一次敷力瑟基本将凝是自限性的，它始终随潜所加荷载的增大而增大，超过屈服极限或持久强度，将使管道发生塑性变形破坏或者总体变形。因此，必须防止过度
13、的塑性变形。管邀承受内压帮壤压力丽产生的应力，属于一次应力。2 、二次斑力二次应力是由于管道受约束所产生的正应力和剪应力。它本身不直接与外力相平鬻。二次应力的特征是有鑫隈性的，当鼹部屈服或产生小量塑性嶷形懿麓使应力降低下来。对于塑性良好髂管材，一般在管系稿次加载对，二次应力不会直接导致破坏，只有当应变猩多次重复交变的情况下，才引起管道疲劳破坏。在设计计算中，一般不单独考虑二次应力，商以一次艨力与二次成力静缝合形式遍行校核。管道由热胀、冷缩以及位移受约束而产生的应力，属于二次应力。3 、峰德应力2 弯头的结构和计算方法分析峰德应力是管邋由局部结构不连续或局部热应力效成附加到一次应力或二次应力的增
14、量，它的特点是不引起显著的变形，而且在短距离内从它的根源衰减，它楚一种导致疲劳裂纹或黢髓破坏的可麓原毽。袭2 一l 直埋敷设供热管道的最太允许温升和裾服温差公称商衽管子外衽管子内径按极限分析法按安定性分析 D ND wD n确定的最大允方法确定的胤 ( m m )( m m )( m m )诲澡蔫( o C )照温差( 。e )】O O】0 8】0 06 58 8 7瘸服温差r 魁管道受热后怒否进入塑性状态的温差界限。当 一f r 时，管道处于弹性状态；当 一f ， A r 时，管道谶入塑性状态。2 4 弹性抗弯铰法隧1弹蚀抗弯铰法怒华东石油学院的力学教研室崔孝秉教授，于1 9 7 8 年在华
15、东磊、洼掌瞧貔擐上发凌戆文章邂缝长竣管道水平弯头赫秀瀑载莓近叛分摄一文中掇出的。这种方法由于考虑了弯头的柔性系数和应力放大，并且把弯头简化为个抗弯铰，比过去使用的方法中把弯头仍作为直管看待要更符合实际。下蘧籍孳穷绍一下这秘方法。2 4 1 基本假定弹性抗弯铰法在计算弯头应力前作了如下假设：1 供热输送管道中，直线镣线比较长，弯头弧长檩对藏比较短，弯头各截1 5175l53l盯i窨爨踮辐0殴铂雠醴阻鼹豁髓5O798982他国翡辐们耻3993576O坞垢越盯弛瑟北砧5OOOO00O挖埘鲋猫瑟鼬焦作工学院颁士学位论文曩l ；土囊力可敬认为是近钕麴等夔，这撵赣可敦忽强驽头本身豹几嚣尺寸瑟仅攥翻其弹性抗
16、柔的力学特性。也就是说，弯头可看成一个点，其力学作用相当于个“弹性抗弯铰”，魏麴掰示。图2 4 弹性抗弯铰设“弹性抗弯铰”所受力矩为M ，夹角变形量为A 毋，二者关系取为： 舻等其中蠢一一弯头鏊率半辍；谚一一弯头夹角，即管道拐弯角度；E 管道材料的弹性系数；，一一弯头蒺截嚣辘瀵性爱，近酝等子嚣3 ，r 为半径，f 羹弯头黩厚；x 蛮头柔性系数，大于l ，欺值主要与尺寸系数有关，也与内压及边羚支撑效应蠢关。2 管道四周土壤力学特性均匀。管道升温产生弯曲变形时，着管道在水平厕内弯曲的挠度为y ，并设在管道轴线深度处，土壤的侧向压缩反力系数为c ，剿攀佼长蛰邀上瑟受鲍壤嚣绩爱力为p ； _ P = 2 吻3 假定管道升温产生横向弯曲变形时，土壤绦管道的横向摩擦阻力比土壤1 62 弯头的结构和计算方法分析给管道的压缩反力小的多，因而可以忽略不计。则土壤给单位管长的纵向摩擦力可近似取为： g = 2 掣黟b 一一管道轴线的埋深y 一
