直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置

摘要

通過(guò)分析不同角度直埋蒸汽管道工作管彎頭及附近支座的應(yīng)力，探討工作管彎頭附近支座的設(shè)置。

摘　要：通過(guò)分析不同角度直埋蒸汽管道工作管彎頭及附近支座的應(yīng)力，探討工作管彎頭附近支座的設(shè)置。

關(guān)鍵詞：直埋蒸汽管道；內(nèi)固定支座；單向內(nèi)固定支座；應(yīng)力分析；自然補(bǔ)償

Stress Analysis for Directly Buried Steam Pipeline Elbow and Support Setting

Abstract：The setting of the supports near the working pipe elbow is discussed by analyzing the stress of the working pipe elbow of the directly buried steam pipeline and the nearby supports with different angles．

Keywords：directly buried steam pipeline；inside fixed support；unidirectional inside fixed support；stress analysis；natural compensation

1　概述

直埋蒸汽管道沿市政道路敷設(shè)，需根據(jù)道路走向調(diào)整管道走向，沿線需設(shè)置不同角度的彎頭，由于在兩個(gè)直埋蒸汽管道內(nèi)固定支座[1]之間設(shè)置彎頭可能會(huì)破壞管道內(nèi)部保溫材料和軸向補(bǔ)償器等，因此，在直埋蒸汽管道中設(shè)置彎頭需采取相應(yīng)的技術(shù)措施。本文通過(guò)對(duì)不同角度的直埋蒸汽管道工作管彎頭及附近節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析，探討彎頭附近支座的設(shè)置，避免彎頭對(duì)保溫材料和軸向補(bǔ)償器的破壞，指導(dǎo)直埋蒸汽管道施工圖設(shè)計(jì)。

2　應(yīng)力計(jì)算及校核

2.1　一次應(yīng)力計(jì)算及校核

管道在工作狀態(tài)下，由內(nèi)壓和持續(xù)外載(包括自重和支吊架反力等)產(chǎn)生的應(yīng)力，屬于一次應(yīng)力。一次應(yīng)力是非自限性的，超過(guò)某一限度，將使管道整體變形直至破壞。因此，一次應(yīng)力不得大于鋼管在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，以防止過(guò)度的塑性變形而導(dǎo)致管道破壞?？砂词?/span>(1)～(4)計(jì)算及校核[2]。

sL≤st (1)

sL=pD/4d+szhw+sw (2)

szhw=Fzhw/100A (3)

sw=mMw/W (4)

式中sL——軸向應(yīng)力，Mpa

st——鋼管在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，本文也稱為一次應(yīng)力的許用應(yīng)力，Mpa

p——設(shè)計(jì)壓力，Mpa

D——管道外直徑，mm

d——管道壁厚，mm

szhw——持續(xù)外載軸向應(yīng)力，Mpa

sw——持續(xù)外載當(dāng)量應(yīng)力，Mpa

Fzhw——持續(xù)外載軸向力，N

A——管壁斷面積，cm2

m——應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)

Mw——持續(xù)外載當(dāng)量力矩，N·m

W——管道截面系數(shù)，cm3

2.2　二次應(yīng)力計(jì)算及校核

管道由于熱脹、冷縮等變形受約束而產(chǎn)生的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，其特征是有自限性的，在反復(fù)交變應(yīng)力作用下引起疲勞破壞。二次應(yīng)力按式(5)～(6)計(jì)算及校核。

sE≤f(1.25s20+1.25st-sL) (5)

sE=mME/W (6)

式中sE——熱脹當(dāng)量應(yīng)力，取計(jì)算管系上危險(xiǎn)斷面的應(yīng)力值，Mpa

f——管道位移應(yīng)力范圍減少系數(shù)

s20——鋼管在20℃時(shí)的許用應(yīng)力，Mpa

ME——熱脹當(dāng)量力矩，N·m

式(5)中，sE≤f(1.25s20+1.25st-sL)，本文將其稱為二次應(yīng)力的許用應(yīng)力。

3　彎頭應(yīng)力分析實(shí)例

以工作管為DN 600mm的鋼套鋼直埋蒸汽管道彎頭為例進(jìn)行應(yīng)力分析。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：設(shè)計(jì)壓力為1.4MPa，設(shè)計(jì)溫度為280℃，外護(hù)管表面溫度為50℃；保溫采用外滑動(dòng)結(jié)構(gòu)[3]，預(yù)制直埋蒸汽管道設(shè)置有內(nèi)滑動(dòng)支座，保溫層、內(nèi)滑動(dòng)支座隨工作管在外護(hù)管內(nèi)沿軸向自由移動(dòng)。工作管規(guī)格為Ø630×9螺旋縫雙面埋弧焊鋼管(材質(zhì)為Q235B)，保溫層為高溫玻璃棉，其厚度為220mm；外護(hù)管采用Ø1120×12螺旋縫雙面埋弧焊鋼管(材質(zhì)為Q235B)；工作管彎頭的彎曲半徑為3倍管道外直徑，采用無(wú)縫鋼管煨制；外護(hù)管彎頭采用斜接彎頭，外護(hù)管管頂覆土厚度為1.2m。熱補(bǔ)償采用外壓軸向型波紋管補(bǔ)償器(以下簡(jiǎn)稱波紋管補(bǔ)償器)，由波紋管補(bǔ)償器、直管段和兩側(cè)的內(nèi)固定支座構(gòu)成一個(gè)直管補(bǔ)償段，每個(gè)直管補(bǔ)償段長(zhǎng)度為50m。在以下應(yīng)力分析中，圖1、圖3、圖5中所示為直埋蒸汽管道彎頭和一個(gè)直管補(bǔ)償段的情況，兩側(cè)還有若干個(gè)直管補(bǔ)償段。采用CAESARⅡ進(jìn)行應(yīng)力分析，CAESARⅡ是由美國(guó)鷹圖公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，該軟件是將管道模擬為梁?jiǎn)卧?，因此，本文圖中節(jié)點(diǎn)是指管道截面。

在直埋蒸汽管道中設(shè)置彎頭，為防止兩個(gè)內(nèi)固定支座之間的彎頭破壞保溫層和軸向補(bǔ)償器，本文結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，提出3種彎頭附近支座的設(shè)置形式：彎頭一側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座，彎頭兩側(cè)設(shè)內(nèi)固定支座，彎頭兩側(cè)分別設(shè)置內(nèi)固定支座和單向內(nèi)固定支座。

3.1　彎頭一側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座

如圖1所示，在彎頭B一側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座，節(jié)點(diǎn)b為工作管彎頭處，節(jié)點(diǎn)a為工作管內(nèi)固定支座A處，節(jié)點(diǎn)d為內(nèi)固定支座D處，q為彎頭角度。內(nèi)固定支座將工作管固定在外護(hù)管內(nèi)，外護(hù)管敷設(shè)在土壤中。節(jié)點(diǎn)b、d之間的工作管熱變形由波紋管補(bǔ)償器吸收。為減少管段b-d橫向位移，避免對(duì)波紋管補(bǔ)償器產(chǎn)生影響，同時(shí)減小軸向力F的力臂，應(yīng)控制a-b之間的距離，滿足內(nèi)固定支座A與彎頭B安裝尺寸要求即可，本文中內(nèi)固定支座A距彎頭端距離為0.4m。彎頭B承受其左側(cè)軸向力F作用，彎頭B右側(cè)軸向力FN由內(nèi)固定支座A承受。軸向力F、FN由波紋管補(bǔ)償器不平衡內(nèi)壓力(俗稱盲板力)、彈力以及工作管的內(nèi)滑動(dòng)支座與外護(hù)管摩擦力合成[4]。

直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置

根據(jù)以上條件，利用CAESARⅡ建立鋼套鋼直埋蒸汽管道模型，彎頭角度0分別為20°、25°、30°、35°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，對(duì)應(yīng)建立10個(gè)應(yīng)力計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果顯示，直埋蒸汽管道外護(hù)管各節(jié)點(diǎn)、工作管各節(jié)點(diǎn)中，a、b節(jié)點(diǎn)應(yīng)力較高，其他節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。因此，本文重點(diǎn)分析a、b節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置

根據(jù)圖2，隨著彎頭角度0的增加，工作管在彎頭、內(nèi)固定支座處的應(yīng)力均逐漸增大，其中，二次應(yīng)力增幅較小，一次應(yīng)力增幅較大。當(dāng)彎頭角度q為30°時(shí)，工作管在a、b節(jié)點(diǎn)的一次應(yīng)力超過(guò)其許用應(yīng)力，二次應(yīng)力滿足要求。以上應(yīng)力分析表明，鋼套鋼直埋蒸汽管道彎頭附近支座按照?qǐng)D1布置方式設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)彎頭角度q≤25°時(shí)，工作管各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求；當(dāng)彎頭角度q>25°時(shí)，工作管a、b節(jié)點(diǎn)的一次應(yīng)力將超過(guò)其許用應(yīng)力，不能滿足規(guī)范要求。

3.2　彎頭兩側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座

如圖3所示，在彎頭B兩側(cè)a、c節(jié)點(diǎn)設(shè)置內(nèi)固定支座，節(jié)點(diǎn)b為工作管彎頭處，節(jié)點(diǎn)a、c、d分別為工作管的內(nèi)固定支座A、C、D處，q為彎頭角度。內(nèi)固定支座將工作管固定在外護(hù)管內(nèi)，外護(hù)管敷設(shè)在土壤中。節(jié)點(diǎn)c、d之間的工作管熱變形由波紋管補(bǔ)償器吸收。由于外護(hù)管內(nèi)空間小，同時(shí)彎頭吸收變形能力較小，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，直埋蒸汽管道L形自然補(bǔ)償臂長(zhǎng)宜在2～10m范圍，本文中內(nèi)固定支座A和C與彎頭端距離均取4m。彎頭兩側(cè)被內(nèi)固定支座固定，對(duì)c-d段工作管無(wú)橫向位移，對(duì)波紋管補(bǔ)償器無(wú)影響；彎頭兩側(cè)內(nèi)固定支座分別承受軸向力F、FN，可以減小彎頭的一次應(yīng)力。

直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置

根據(jù)以上條件，利用CAESARⅡ建立鋼套鋼直埋蒸汽管道模型，彎頭角度穢分別為30°、35°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，對(duì)應(yīng)建立8個(gè)應(yīng)力計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果顯示，直埋蒸汽管道外護(hù)管各節(jié)點(diǎn)、工作管各節(jié)點(diǎn)中，a、b、c節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力相對(duì)較高，其他節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)。因此，本文重點(diǎn)分析a、b、c節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置

根據(jù)圖4，隨著彎頭角度q的增加，工作管在節(jié)點(diǎn)a、b、c處的一次應(yīng)力均逐漸增大，增幅很小，均在許用應(yīng)力的50％以下；節(jié)點(diǎn)a、b、c處的二次應(yīng)力均逐漸減小，當(dāng)彎頭角度日大于50°時(shí)，節(jié)點(diǎn)b二次應(yīng)力小于許用應(yīng)力，當(dāng)彎頭角度q大于80°時(shí)，節(jié)點(diǎn)a、b、c二次應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。以上應(yīng)力分析表明，鋼套鋼直埋蒸汽管道彎頭附近支座按照?qǐng)D3布置方式設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)彎頭角度q>80°時(shí)，工作管各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求；當(dāng)彎頭角度q≤80°時(shí)，工作管a、b、c節(jié)點(diǎn)的二次應(yīng)力將超過(guò)其許用應(yīng)力，不能滿足規(guī)范要求。

3.3　設(shè)置內(nèi)固定支座和單向內(nèi)固定支座

如圖5所示，在彎頭B一側(cè)靠近彎頭處設(shè)置內(nèi)固定支座A，承受作用于彎頭B的軸向力FN；另一側(cè)靠近彎頭設(shè)置軸向單向支撐內(nèi)固定支座(以下簡(jiǎn)稱單向內(nèi)固定支座C)，僅承受軸向力F，限制工作管向c-b方向移動(dòng)，不限制工作管沿其他方向移動(dòng)。圖中節(jié)點(diǎn)b為工作管彎頭處，節(jié)點(diǎn)a為工作管內(nèi)固定支座A處，節(jié)點(diǎn)c為工作管單向內(nèi)固定支座C處，節(jié)點(diǎn)d為內(nèi)固定支座D處，q為彎頭角度。內(nèi)固定支座、單向內(nèi)固定支座將工作管固定在外護(hù)管內(nèi)，外護(hù)管敷設(shè)在土壤中。節(jié)點(diǎn)c、d之間的工作管熱變形由波紋管補(bǔ)償器吸收。為減少直管段c-d橫向位移，避免對(duì)波紋管補(bǔ)償器產(chǎn)生影響，同時(shí)減小軸向力F的力臂，應(yīng)控制a、b之間距離，滿足內(nèi)固定支座A與彎頭B安裝尺寸要求即可，本文中內(nèi)固定支座A、單向內(nèi)固定支座c與彎頭端距離均為0.4m。

直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置

根據(jù)以上條件，利用CAESARⅡ建立鋼套鋼直埋蒸汽管道模型，對(duì)多個(gè)角度彎頭進(jìn)行應(yīng)力分析，彎頭角度q分別為30°、35°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，對(duì)應(yīng)建立8個(gè)應(yīng)力計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果顯示，直埋蒸汽管道外護(hù)管各節(jié)點(diǎn)、工作管各節(jié)點(diǎn)的各類應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)a、b、c的應(yīng)力相對(duì)較高。因此，重點(diǎn)分析節(jié)點(diǎn)a、b、c應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6。

直埋蒸汽管道彎頭應(yīng)力分析與支座設(shè)置

根據(jù)圖6，在彎頭另一側(cè)設(shè)置單向內(nèi)固定支座后，a、b、c等節(jié)點(diǎn)一次應(yīng)力隨彎頭角度q的增加變化較??；其二次應(yīng)力開(kāi)始隨角度增加而增加，當(dāng)彎頭角度q=50°時(shí)，二次應(yīng)力達(dá)到最大，節(jié)點(diǎn)b達(dá)到其許用應(yīng)力的91.8％，此后，二次應(yīng)力隨角度增加而減少，但均在相應(yīng)許用應(yīng)力范圍之內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。由于單向內(nèi)固定支座僅承受軸向力F，在減小彎頭的一次應(yīng)力的同時(shí)不限制工作管彎頭的熱位移，故工作管各節(jié)點(diǎn)一次、二次應(yīng)力均在相應(yīng)許用應(yīng)力范圍之內(nèi)。以上應(yīng)力分析表明，鋼套鋼直埋蒸汽管道彎頭附近支座按照?qǐng)D5布置方式設(shè)計(jì)時(shí)，彎頭角度滿足25°<q≤90°時(shí)，工作管各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。但由于大于80°小于等于90°的彎頭具有吸收變形能力，在實(shí)際工程中，在彎頭兩側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座，構(gòu)成L形自然補(bǔ)償段。

4　結(jié)論

在鋼套鋼直埋直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于彎頭附近支座的設(shè)置，可采取以下方式進(jìn)行設(shè)計(jì)：

①當(dāng)q≤25°時(shí)，在彎頭附近一側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座。為提高質(zhì)量并方便現(xiàn)場(chǎng)安裝，將內(nèi)固定支座、彎頭和相應(yīng)外護(hù)管在工廠預(yù)制，組成一個(gè)管件。

②當(dāng)25°<q≤80°時(shí)，在彎頭附近一側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座，另一側(cè)設(shè)置單向內(nèi)固定支座。為提高質(zhì)量并方便現(xiàn)場(chǎng)安裝，將內(nèi)固定支座、彎頭、單向內(nèi)固定支座和相應(yīng)外護(hù)管在工廠預(yù)制，組成一個(gè)管件。

③當(dāng)80°<q≤90°時(shí)，在彎頭兩側(cè)設(shè)置內(nèi)固定支座，形成一個(gè)L形自然補(bǔ)償段。