大口径高温水直埋管道设计实例

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1、大口径高温水直埋管道设计实例薛龙中核第四研究设计工程有限公司050021摘要木文根据设计实例浅析大口径高温水直埋管道的设计方法，以达到抛砖引玉的效果。关键词大口径直埋管道设计稳定性分析1・概述木次工程为西山煤矿总公司前山矿区供热管网高温水网工程，主管网最大管径为Φ920,全长2800m,采用直埋敷设。2.管网设计参数：设计压力：供水1.3MPa/回水l.OMPa设计温度：供水135°C/回水70°C管道采用三位一体复合结构，保温层为聚氨酯泡沫，保护层采用玻璃钢。管顶覆土深度为1.5m。3.管道安全状态讨论

2、:木次工程设计主要考虑两种安全破坏状态。3.1强度破坏。管道中各类应力超出其相应的强度条件而产牛的破坏。由于温度变化产牛的应力值为：σj=(l-γ)σt-αE(t2・tl)式中：γ-泊松系数，一般取0.3σt—由于内压产生的环向应力t2—最低循环温度锂一最高循环温度由于大管径管道应力的取值范围规范中没有涉及，因此设计中运用第四强度理论。认为热应力边界值，即上式计算出的结果小于管材的屈服极限，此类方法相对于规范中论述的安定性分析法较保守。同时，

3、也大大提高了大口径管道的强度安全系数。同时，由于管线运行时经常处于升降温的交替状态下，由此而产生的疲劳破坏同样不能忽视。在整体管线中，最薄弱处为三通、异径管及弯头等，这些薄弱部位如不采取有效措施，会对管线整体产生严重不良后果。本次设计中，没有水平弯头；对于竖向弯头，由于过路均采用暗挖法，弯头设于检查井内，此部分管道采用自然热补偿，使管道处于理想的应力状态下。充分保证了弯头处的安全性能。同时，弯头处的保护层不宜采用玻璃钢结构，否则其会约束管道的变形，产生不良后果，这也是我们在今后的工程中需注意的问题。从主管上抽出支

4、线吋，三通位置一般设在固定支架附近，同吋，支线的热补偿均采用自然补偿，可大大减低三通处的应力。异径管和阀门也尽量设在检查井内，不具备条件吋，可安装在靠近补偿器处，从而大大提高其安全性。3.2稳定破坏。管道在受压状态下丧失稳定产生的破坏。3.2.1整体失稳。由于直埋管道会受到巨大的土壤摩擦力，管道在由此力产生的轴向压应力作用下，可能使钢管丧失轴向稳定而造成破坏或拱出地面。对于一“无限长”的直管段，均匀分布着单位管长的垂直荷载Q（回填土和管道自重），避免屈曲时，需要：Q二式中：I一单管的惯性矩N—单管的轴向压力Fo—

5、钢管的初始挠度rs—稳定分析吋的分项安全系数，一般可取1.1Q二Gw+G+2SF式中：Gw—每米管道上部土层的有效重量G—每米预制保温管道的有效自重SF—净止土压力造成的剪切力如果地下水位高于管道底部时，还应考虑土壤的有效容重及管道的浮力。当满足如上要求吋，说明管道在竖向是稳定的。在大口径直埋管道中，由于其自重大，覆土一般较深等原因，一般不会发生竖向失稳；若是在水位较高的地区，则应考虑地下水浮力，并根据实际情况进行最不利工况的校核计算，保证管道安全。为不发生水平失稳，应保证在直埋管道的两侧有一定厚度的覆土。在规范

6、中未提及此方面计算，可参照《区域供热手册》进行校核计算。并且在设计图纸中，还应明确要求严禁在运行的直埋管道两侧开挖，以避免出现水平失稳情况。3.2.2局部失稳。在由土壤摩擦力产生的轴向压应力作用下，大口径管道这种薄壁壳体有可能会出现局部皱结，产生局部失稳。管道局部失稳的主要原因在于壁厚过薄和温差过大。降低岀现局部失稳的可能性可采用预应力安装减小热膨胀及安装补偿器释放热膨胀等办法。为方便施工，本次设计采用分段安装补偿器的方法来降低局部失稳出现的可能性。补偿段长度的设置应同时满足管道应力状态及补偿器的本身特性要求。3

7、.3椭圆化变形。管道在土壤重力的作用下，直埋管道将受到极大的垂直压力，在管道没有内压的不利情况下，钢管将会发生椭圆变形。《输油管道工程设计规范》GB50253中明确规定在变形不超过3%时，钢管是安全的。管道在外压作用下的变形量计算公式如下：ΔX=式中:1=63/12ΔX—钢管水平径向的最大变形J—钢管变形滞后系数应取1.5K—钢管基座系数W—单位管长上的总垂直荷载，包括管顶垂直土荷载和地面车辆传到钢管上的荷载r—钢管的平均半径E—钢管的弹性模量I—管壁截面的惯性矩E’—冋填土的

8、变形模量6—为管壁厚度关于钢材的选取，一般为20G或者Q235-Ao在同等钢管壁厚的情况下，20G比Q235-A的热应力值要低。也就是说，在热应力值均符合要求时，Q235-A可能要比20G钢管壁厚；而人管道的壁厚要求主要是其是否满足椭圆化变形的要求，尤其是在埋深很深吋，选择吋要慎重。为解决造成局部失稳及椭圆化变形的上述两个主要问题，我们均采取增人钢管壁厚的方法，经过计算D