大管徑直埋供熱管道的工作狀態(tài)及安全性研究

摘 要

摘要：基于強(qiáng)度理論和彈性穩(wěn)定理論，給出了不同壓力等級、壁厚、公稱管徑為500～1400mm的直埋熱水供熱管道局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差、最大允許循環(huán)溫差和屈服溫差曲線，建立了管道工作
摘要：基于強(qiáng)度理論和彈性穩(wěn)定理論，給出了不同壓力等級、壁厚、公稱管徑為500～1400mm的直埋熱水供熱管道局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差、最大允許循環(huán)溫差和屈服溫差曲線，建立了管道工作狀態(tài)分區(qū)圖，對各區(qū)域管道的最大允許安裝長度和彈、塑性工作狀態(tài)進(jìn)行了研究。提出了在防止大管徑直埋供熱管道產(chǎn)生局部屈曲的前提下，增大管道最大允許安裝長度的措施。
關(guān)鍵詞：大管徑直埋管道；局部屈曲；循環(huán)溫差；安裝長度
Research on Working State and Safety of Large-diameter Directly Buried Heat-supply Pipeline
SUN Jinpeng
Abstract：Based on the strength theory and elasticity stability theory，the curves of local stability circulation temperature difference，maximum circulation temperature difference and yield temperature difference for directly buried hot water heat-supply pipeline with different pressures and wall thicknesses and nominal diameter of 500 to 1400mm are given.The zone diagrams for working state of the pipeline are established，and the maximum allowable installation length and the elastic and plastic working states of the pipeline sections in different zoues are researched.Measures for increasing the maximum allowable installation length are proposed based on preventing local buckling of large-diameter directly buried heatsupply pipeline.
Key words：large-diameter directly buried pipeline；local buckling；circulation temperature difference；installation length
1 概述
   隨著我國經(jīng)濟(jì)和集中供熱的發(fā)展，大管徑(DN1400mm)、高溫(150℃)、高壓(2.5MPa)直埋熱水預(yù)制保溫管道日益普及，此類直埋管道可能出現(xiàn)的失效方式包括強(qiáng)度失效和穩(wěn)定失效。強(qiáng)度失效包括內(nèi)壓和持續(xù)外荷載引起的一次應(yīng)力產(chǎn)生的塑性變形，溫度變化引起的二次應(yīng)力產(chǎn)生的循環(huán)塑性變形，以及在溫度變化過程中應(yīng)力集中產(chǎn)生的疲勞破壞[1]。基于安定性分析理論，文獻(xiàn)[2]、[3]分別針對DN 500mm及DN 1000mm以下管道的強(qiáng)度失效和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。
    除強(qiáng)度失效外，直埋供熱管道可能出現(xiàn)整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)。當(dāng)公稱直徑大于500mm時，管道局部屈曲出現(xiàn)的概率將大大增加，管道局部將產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致局部褶皺。其直接原因是溫差作用下管道的軸向應(yīng)變，取決于熱脹變形的大小和熱脹變形的釋放程度。同時，局部屈曲出現(xiàn)的可能性與管徑和壁厚緊密相關(guān)，隨著壁厚的增加，產(chǎn)生局部失穩(wěn)的可能性減小，而隨著管徑的增大則更易發(fā)生局部失穩(wěn)。
    因此，如何將強(qiáng)度分析理論與局部穩(wěn)定分析理論相結(jié)合，綜合考慮壓力、循環(huán)溫差、管徑、壁厚對管道工作狀態(tài)和安全性的影響，成為大管徑預(yù)制保溫管直埋敷設(shè)研究中亟待解決的問題。
2 3種控制溫差曲線
根據(jù)經(jīng)典的彈性穩(wěn)定理論，參考鋼制壓力容器的分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應(yīng)力計(jì)算公式為[4]：
 
式中σcr——許用軸向臨界壓應(yīng)力，MPa
    E——鋼材的彈性模量，MPa
    δ——管道壁厚，MPa
    R——管道外半徑，mm
根據(jù)一次應(yīng)力和二次應(yīng)力共同作用下的安定性分析理論[3]，管道的應(yīng)力變化不應(yīng)超過其基本許用應(yīng)力的3倍，因此可以得到局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差△tcr，見式(2)。
 
式中△tcr——局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差，℃
    σall——直埋管道的基本許用應(yīng)力，MPa
    υ一一管材的泊松數(shù)
    σt——內(nèi)壓作用在管壁上的環(huán)向應(yīng)力，MPa，計(jì)算公式見式(3)
α——鋼材的線膨脹系數(shù)，K-1
 
式中p——管道的工作壓力，MPa
    D0——管道外直徑，mm
    D1——管壁減薄后的內(nèi)直徑，mm，取值方法參見文獻(xiàn)[3]
    設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa和2.5MPa時，不同管徑和壁厚管道的局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差見圖1、2。
基于安定性分析理論，文獻(xiàn)[3]給出了不同管徑和設(shè)計(jì)壓力下管道的最大允許循環(huán)溫差△tmax與屈服溫差△ty的計(jì)算方法，見式(4)、(5)。這兩種溫差也與管道壁厚密切相關(guān)。設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，不同管徑和壁厚管道的最大允許循環(huán)溫差、屈服溫差分別見圖3、4。
 
式中σs——管道的屈服極限，MPa

3 基于3種控制溫差的管道工作狀態(tài)分區(qū)
    以設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa、管徑為DN 1000mm的直埋管道為例，常見壁厚范圍內(nèi)的3種控制溫差見圖5。由圖5可知3種控制溫差的相對關(guān)系，管道的工作狀態(tài)被劃分為6個區(qū)域(Ⅰ～Ⅵ區(qū))。本文對每個區(qū)域管道的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。
 

   ①Ⅰ區(qū)(管道循環(huán)溫差△t＞△tmax)
在該區(qū)域內(nèi)，管道循環(huán)溫差高于最大允許循環(huán)溫差，因此不允許管道進(jìn)入錨固狀態(tài)，且在計(jì)算安裝長度時，需考慮彈性狀態(tài)和局部穩(wěn)定的需要，得到管道的最大允許安裝長度，見式(6)。
 
式中Laz——最大允許安裝長度，m
    A——直埋管道的截面積，m2
    Fmax——土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的最大摩擦力，N/m
   土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的摩擦力計(jì)算見式(7)。當(dāng)λ取最大摩擦系數(shù)時，得到土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的最大摩擦力Fmax；當(dāng)λ取最小摩擦系數(shù)時，得到土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的最小摩擦力Fmin。
    F=ρgDcπλ(h+Dc/2)    (7)
式中F——土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的摩擦力，N/m
    ρ——土壤密度，kg/m3
    g——重力加速度，m/s2
    Dc——預(yù)制直埋管道保溫管外直徑，m
    λ——摩擦系數(shù)
    h——管頂埋深，m
    ② Ⅱ區(qū)(△ty＜△t＜△tmax，△tcr＜△ty)
管道循環(huán)溫差位于最大允許循環(huán)溫差和屈服溫差之間，但是由于此時局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差小于屈服溫差，因此仍不允許進(jìn)入錨固狀態(tài)，管道的最大允許安裝長度計(jì)算見式(8)。
 
   ③ Ⅲ區(qū)(△tcr＜△t＜△tmax，△ty＜△tcr)
該區(qū)域內(nèi)的管道最大允許安裝長度計(jì)算公式同式(8)，但是由于屈服溫差小，管道允許進(jìn)入錨固狀態(tài)。管道剛投入運(yùn)行時對應(yīng)的過渡段最小長度和錨固段最大長度分別見式(9)、(10)。
 
式中Lmin——管道的過渡段最小長度，m
 
式中Lmax——管道的錨固段最大長度，m
當(dāng)摩擦系數(shù)最小時，管道過渡段最大長度還須滿足式(8)給出的局部穩(wěn)定條件，其過渡段最大長度為：
 
式中Lmax——管道的過渡段最大長度，m
    Fmin——土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的最小摩擦力，N/m。
   ④ Ⅳ區(qū)(△ty＜△t＜△tcr)
管道循環(huán)溫差位于局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差與屈服溫差之間，因此管道安裝長度不受限制，允許進(jìn)入錨固狀態(tài)，其過渡段最小長度和錨固段最大長度同式(9)、(10)，而過渡段最大長度為：
 
    ⑤ Ⅴ區(qū)(△tcr＜△t＜△tcr)
    由于循環(huán)溫差小于屈服溫差，因此管道永遠(yuǎn)處于彈性狀態(tài)，但其安裝長度受到局部穩(wěn)定的限制，管道的最大允許安裝長度計(jì)算公式同式(8)。
    ⑥ Ⅵ區(qū)[△t＜min(△ty，△tcr)]
    由于循環(huán)溫差小于屈服溫差和局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差，因此管道處于彈性狀態(tài)下運(yùn)行，管道安裝長度不受限制。圖5是綜合考慮強(qiáng)度計(jì)算理論和彈性穩(wěn)定理論而建立的適合大管徑熱水直埋管道的管道工作狀態(tài)分區(qū)圖。實(shí)際上，對于任意壓力等級下任意壁厚的管道在相應(yīng)的循環(huán)溫差下，都可以在其對應(yīng)分區(qū)圖上找到工作狀態(tài)點(diǎn)，進(jìn)而判斷其所處的區(qū)域和工作狀態(tài)。
4 算例
    某熱網(wǎng)首站供水干管為Φ920×10的螺旋縫電焊鋼管，材質(zhì)為Q235，彈性模量為19.6×104MPa，線膨脹系數(shù)為12.6×10-6K-1，基本許用應(yīng)力為125MPa，泊松數(shù)為0.3，管道設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度為130℃，安裝溫度為10℃。采用直埋敷設(shè)方式，預(yù)制保溫管外徑為1055mm，管頂埋深約為1.4m。
    由以上公式計(jì)算得到3種控制溫差：△tcr=86℃，△tmax=130℃，△ty=101℃。由于循環(huán)溫差△t=120℃，則可以判斷管道工作點(diǎn)位于Ⅱ區(qū)，管道在彈性范圍內(nèi)工作，最大允許安裝長度Laz=119m。
    校核其整體失穩(wěn)和截面橢圓化變形條件也可以滿足要求，即如果該管道采用無補(bǔ)償冷安裝敷設(shè)方式，最大允許安裝長度不應(yīng)超過119m。安裝長度如此小是為了防止發(fā)生局部屈曲。
5 增大管道最大允許安裝長度的措施
    在防止大管徑直埋供熱管道產(chǎn)生局部屈曲的前提下，增大管道最大允許安裝長度的措施為：
    ① 適當(dāng)增大鋼管壁厚，局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差和最大允許安裝長度隨之增大，但是如果壁厚超過一定范圍，工程經(jīng)濟(jì)性將變差。
    ② 預(yù)熱安裝，減小熱脹變形和溫差引起的軸向應(yīng)變，可以有效降低局部失穩(wěn)出現(xiàn)的概率。預(yù)熱安裝需要計(jì)算合適的預(yù)熱溫度[5]，以防止冷水運(yùn)行或降溫過程中發(fā)生管道斷裂。同時，還應(yīng)考慮管道檢修、閥門更換時已拉伸管道回縮的現(xiàn)象，切管后如果不采取措施，需重新對該管段進(jìn)行冷安裝狀態(tài)下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。
    ③ 設(shè)置補(bǔ)償器。對于熱網(wǎng)的輸送干管而言，增加了熱網(wǎng)維修點(diǎn)和發(fā)生故障的概率。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 王飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：50-65.
[4] 全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB 4732—1995鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995：11-18.
[5] 王飛，王國偉，孫剛，等.直埋管道預(yù)熱安裝的安全性研究[J].材料科學(xué)與工藝，2009，17(2)：203-207.
 
(本文作者：孫金鵬 山東電力工程咨詢院有限公司 山東濟(jì)南 250013)