摘　要：針對某直埋蒸汽管道工程，對工作管管材、壁厚的選擇與計算方法進行探討，采用Bentley AutoPIPE管道分析軟件對計算管段的工作管進行了應力計算與分析。

關(guān)鍵詞：直埋蒸汽管道；  工作管；  應力計算

Stress Calculation and Analysis of Directly Buried Steam Pipeline

Abstract：The selection of working pipe material and wall thickness and its calculation method in a directly buried steam pipeline engineering are discussed．The stress calculation and analysis of working pipe in calculation of the pipe section are performed by using Bentley AutoPIPE software．

Keywords：directly buried steam pipeline；working pipe；stress calculation

直埋蒸汽管道的研究始于20世紀90年代初期，是在直埋熱水管道技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。隨著城市規(guī)模的不斷擴大和規(guī)劃部門對城市景觀越來越嚴苛的要求，近年來直埋蒸汽管道運用較為廣泛[1-2]。本文結(jié)合工程實例，采用Bentley AutoPIPE管道分析軟件對直埋蒸汽管道工作管的應力計算進行探討。

1　工程概況

以無錫市某蒸汽熱網(wǎng)工程為例進行直埋蒸汽管道工作鋼管的應力計算與分析。輸送介質(zhì)為過熱蒸汽，蒸汽管道設(shè)計參數(shù)為：設(shè)計壓力1.6MPa，設(shè)計溫度350℃，設(shè)計質(zhì)量流量128t／h。工作參數(shù)為：工作壓力1.1～1.3MPa，工作溫度310℃。工作鋼管外直徑720mm，屬壓力管道GB2類。

預制直埋蒸汽保溫管采用外滑動內(nèi)固定型，截面結(jié)構(gòu)見圖1。

隔熱環(huán)可選用硅酸鋁板，保溫層可采用軟質(zhì)材料，隔熱環(huán)、保溫層與工作鋼管緊密結(jié)合，捆綁成一個整體，并與工作鋼管在熱膨脹時同時運動。外護鋼管與保溫層之間留有空氣層，既起到進一步保溫作用，又是排潮的良好通道。外護鋼管設(shè)計參數(shù)：計算最高溫度95℃，安裝溫度5℃，計算壓力0.2MPa，外直徑1220mm。由圖1可知，對于外滑動內(nèi)固定型直埋蒸汽管道，直埋敷設(shè)條件下，工作鋼管可視為在封閉的外護鋼管內(nèi)的架空敷設(shè)，工作鋼管采用有補償安裝方式，外護鋼管采用無補償冷安裝方式。因此，架空敷設(shè)管道的應力計算方法適用于直埋蒸汽管道工作鋼管。

2　工作鋼管管材及壁厚的選擇與計算

①直管段

直管段計算壁厚ds,d的計算式為：

ds,d=ds+d1+d2             (1)

ds=pdo/[2(sall,th+pg)]    (2)

式中ds,d——直管段計算壁厚，m

ds——直管段最小壁厚，m

d1——制造偏差，m，取0.0008m

d2——腐蝕裕量，m，取0.0015m

p——工作鋼管設(shè)計壓力，Mpa

do——直管段外直徑，m

sall,t——設(shè)計溫度下鋼材的許用應力，Mpa

h——許用應力修正系數(shù)，無縫鋼管取1.0，螺旋焊縫鋼管取0.9

g——溫度修正系數(shù)，取0.4

目前，供熱行業(yè)普遍采用的鋼材為Q2358、20號，設(shè)計溫度(350℃)下，Q2358鋼材的許用應力sall,t為77MPa，20號鋼材的許用應力sall,t為96MPa。由式(1)、(2)計算得到的Q2358螺旋焊縫鋼管、20號螺旋焊縫鋼管、20號無縫鋼管直管段計算壁厚見表1。

由表1可知，20號無縫鋼管的計算壁厚最小，Q2358螺旋焊縫鋼管的計算壁厚最大，20號螺旋焊縫鋼管的計算壁厚居中。綜合考慮鋼管性能、造價，該工程選用20號螺旋焊縫鋼管，考慮鋼管制造過程中的人為因素后，公稱壁厚取12mm。

②彎頭

彎頭的曲率半徑為1.5倍公稱直徑，彎頭壁厚增大系數(shù)取1.25，即彎頭的最小壁厚為直管段最小壁厚與彎頭壁厚增大系數(shù)的乘積，仍考慮制造偏差s1、腐蝕裕量s2，彎頭的計算壁厚為12.78mm。因此，該工程彎頭的壁厚選取13mm，考慮彎頭受力較大，選取20號無縫彎頭。

3　應力計算與分析

3.1　分析對象

計算管段的平面布置見圖2，圖中數(shù)值單位為m。90°彎頭兩側(cè)設(shè)置分別設(shè)置1個導向支架(每個導向支架距彎頭6m)、1個固定支架。圖2中僅給出了固定支架、波紋管補償器，導向支架、滑動支架的布置方式見圖3，圖3中沿橫向方向滑動的支架為導向支架，沿橫向和縱向方向滑動的支架為滑動支架。每兩個固定支架間，設(shè)置5個滑動支架。

3.2　應力計算軟件介紹

采用Bentley AutoPIPE管道分析軟件對計算管段進行應力計算與分析。Bentley AutoPIPE管道分析軟件是一個全面集成的管道分析與設(shè)計解決方案的軟件，具有類似AutoCAD的圖形界面以及獨特的對象技術(shù)、快速分析、逼真的動畫和可視化工具。該軟件融合了美國、英國、歐洲、德國、日本、中國等國家的標準與設(shè)計原則，從而為管道系統(tǒng)提供全面的分析。Bentley AutoPIPE管道分析軟件主要是計算當管道系統(tǒng)受到靜態(tài)、動態(tài)荷載時，管道系統(tǒng)所承受的應力、變形量。

3.3　輸入?yún)?shù)

選用靜態(tài)條件下架空管道應力分析模型，執(zhí)行標準ASME B31．1《動力管道》。靜態(tài)荷載：熱膨脹力、內(nèi)壓力、重力，設(shè)計溫度350℃，設(shè)計壓力1.6MPa。管材選擇20號螺旋焊縫鋼管，設(shè)計溫度下的許用應力在選定管材時自動從后臺數(shù)據(jù)庫調(diào)用。隔熱環(huán)材料為硅酸鋁，保溫層材料為耐高溫超細玻璃棉，補償器為外壓式軸向波紋管補償器。閥門為蝶閥，規(guī)格為DN 700mm，管道連接方式為焊接。采用軟件建立的計算管段模型見圖3。

3.4　應力計算結(jié)果

點擊下拉選單中的“分析”按鈕，再點選“靜力分析”，進行靜態(tài)荷載條件下的應力計算。主要應力計算結(jié)果為：

最大位移出現(xiàn)在節(jié)點A51，位移量為264.33mm。最大約束受力出現(xiàn)在節(jié)點A00，約束受力為864482N。最大約束力矩出現(xiàn)在節(jié)點A05，力矩為497357N·m。最大持續(xù)應力(由持續(xù)荷載產(chǎn)生的應力)出現(xiàn)在節(jié)點A08，計算應力為32.41MPa，修正許用應力(考慮許用應力修正系數(shù))為86MPa，應力比(計算應力與修正許用應力之比，當應力比小于1時，認為該節(jié)點安全)為0.38。最大彎曲應力出現(xiàn)在節(jié)點A07，計算彎曲應力為115.8MPa，允許彎曲應力為184.0MPa，應力比為0.63。最大環(huán)向應力出現(xiàn)在節(jié)點A00，計算環(huán)向應力為54.22MPa，修正許用應力為86MPa，應力比為0.63。

3.5　計算結(jié)果分析

最大持續(xù)應力節(jié)點A08、最大彎曲應力節(jié)點A07、最大環(huán)向應力節(jié)點A00的應力比均小于1，說明這3個節(jié)點的應力水平是安全的，符合ASMEB31．1的要求。

參考文獻：

[1]郭世宏．直埋蒸汽管道設(shè)計與施工的分析[J]．煤氣與熱力，2005，25(11)：57-59．

[2]楊雪琴，邵蓉，李曉恭．直埋蒸汽管道技術(shù)應用與探討[J]．煤氣與熱力，2005，25(9)：53-55．

本文作者：趙國強  彭文玲

作者單位：中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司第四設(shè)計研究院