直埋供热管道的局部稳定性分析

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1、直埋供热管道的局部稳定性分析核工业第四研究设计院陈学营王献庭邵秋AnalysisforLocalStabilityofBuriedHeatSupplyPipelinesChenXueyingWangXiantingShaoQiu（TheFourthInstituteofNuclearEngineering）摘要：木文应川经典板壳稳定性理论，对直埋供热管道可能出现的局部稳定破坏进行了深入分析和研究。捉岀了判定直理供热管道局部稳定性的验毎条件，并且推导出了离淋水直埋管道（Q235钢）锚固段轴向失稳的临界径焊比。

2、关键词：直埋供热管道大口径无补偿稳定性局部失稳1、前言直埋供热管道可能的破坏方式包括强度破坏和稳定破坏两个方而，其中稳定破坏乂包括整体稳定破坏和局部稳定破坏两种方式。我国现行的《城镇宜埋供热管道工程技术规程》（CJJ/T81-98）对管道的强度破坏和整体稳定破坏的验算己有详细的规定，们是没有包括管道的局部稳定性分析。在欧洲区域供热管道厂商协会颁布的《区域供热手册》［1］中，虽然给出了管道局部屈曲（即局部失稳）的验算公式，但手册中明确规定该公式只适用于最小屈服强度大约为240N/mm2的钢号，对于其他钢号则应

3、推导出另外的公式，该公式是一个经验公式。另抑;•初步了解，该公式适用于DN600以下规格的管道，是否适用于DN600以上的管道并不明确。因此，如何应用和理解该公式还有待于进一步研究探讨。宜埋供热管道在工作中主要承受介质内压、土境（包括车荷戏）橫向外压和温差轴向力，宜埋供热管道的力学模型可以简化为薄壁长圆柱壳或长岡筒。根据经典的板壳稳定性现论⑵,洌筒在槪向外圧或轴向压力作用下均可能产生局部屈曲。为解决工程建设的迫切需要，本专题对直埋供热管道局部失稳的力学特性进行了深入分析和研究.2、横向外压作用下直埋管道的局

4、部稳定条件2・1局部屈曲变形和临界压力関简受到横向外压作川后，在筒壁内将产生环向压缩应力ot,这种压缩应力如果增大到材料的屈服极限时，将和内压的作用一样，引起简体的强度破坏。但是，对薄樂壳体，往往恐筒壁内的压缩应力低于材料的屈服极限os时，简壁就已经被压瘪,圆形的筒体变成了椭圆形或曲波形,这种现象就叫做局部屈曲（见图1）o图1横向外压闘筒局部屈曲后的形状随变形条件的不同，变形波数n可以是2,3,4,5……o长圆筒屈曲时总是产生两个波，即椭圆变形［3］,这一现線适用于直埋管道，而淇它波形适川于短関简或压力容器

5、。导致筒体失稳时的横向外压称为该筒体的临界压力,用Pcr表示，1886年勃莱斯（Bresse）推导出长圆筒的临界压力值为:(1)p=-^（—“1-小式中u—波桑系数§——实际壁厚，nun：Dm—恻筒平均直径，呱E—弹性模虽，MPa值得注盘的是，上述公式的一个重要的适用条件是筒体承受周向均匀外压。但是，对直埋供热管道而言，管道在顶部及周围土壤作用下产生的外压沿周向非均匀分布，最大压应力出现在管顶，最小压应力出现在管道侧面。因此，必须应用其他方法來研究管道的椭切变形稳定条件。2.2直埋管道的椭岡变形稳定条件根据

6、输油和输气管道工程设计规范（GB5025394和GB5025194）对直埋管道椭圆变形的研究,由于柔性敷设的管道能够利用其周围土境的承栽能力，当变形达到钢管外直径的20%时，才发生整体结构破坏。但石油管道局职工学院的试验表明，当变形达到钢管外直径的5%时，管壁开始出现屈服。为保证管道安全，规范规定管道的椭岡变形量应小于钢管外径的3%。管道的椭圆变形量推荐采用依阿华公式计算:(2)Ay=85Z+0.061^Z)mx103(2)-1(2)-2(2)-3式中：AX——钢管水平方向最大变形量（mm）W——作用在单位

7、管长上的总竖向荷载（N/m）图2外压圆筒轴向失稳W1—一单位管长上土壤等竪向永久荷载（N/m）W2—地面车辆等可变荷载传递到管道上的荷载（N/m）Z—钢管变形滞后系数，宜取1.5:E——钢材艸性模量（N/m2）：I——单位管长截面惯性矩（m4/m）；K——基床系数，按文献〔5］収值；Es——土壊变形模量（N/m2）,现场实测数；根据上述公式.当地质条件和钢材种类一定时，管顶覆上深度越人，要求钢管壁厚越人；反Z，要求钢管壁厚较小。对一定的覆土深度.存在相应的钢管#m变形临界壁厚。3、温差轴向压力作用下直埋管道

8、的局部稳定性3.1轴向受压作用下圆筒的屈曲形态和临界应力如果圆筒轴向受压达到某极限值时，也会丧失稳定性。在丧失稳定性时，它仍然具有环形的圆截而，但是破坏了母线的直线性.母线产生了波线（如图2）所示，这种现象称为薄壁圆柱壳的轴向屈曲（或失稳）o不论足周向还兄轴向屈曲，薄壁R柱壳上的周向或轴向应力可能低于也可能高于材料的屈服极限，前者称为弹性屈曲,后者称为塑性屈曲.直埋供热管道在热胀工作过程中受压，但在冷缩过程中受拉