大口径高温水直埋管道温度应力控制方法

《大口径高温水直埋管道温度应力控制方法》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、大口径高温水直埋管道温度应力控制方法核工业第四研究设计院　陈学营　　摘要：本文针对大口径高温水直埋管道管壁局部屈曲的危险性，重点研究了控制管道温度应力的方法，总结了大口径高温水直埋管道的设计要点。　　关键词：大口径高温水直埋管道　局部屈曲　温度应力控制　　1　大口径高温水直埋管道管壁的局部屈曲　　直埋管道可能出现的失效方式包括强度失效和稳定失效两个方面。　　强度失效包括内压和持续外荷载引起的一次应力产生的塑性流动、温度变化引起的二次应力产生的循环塑性变形和在温度变化过程中由于应力集中在弯头、折角、大小头、三通等管件处引

2、起的峰值应力产生的疲劳破坏。此外，当管网系统中设有阀门时，温升轴向力也可引起阀门的失效。　　从整个管线看，管道属于杆件；从管道局部看，管道属于薄壁壳体。当热力管道处于受压状态时，将可能出现整体失稳或局部失稳。　　当管道管径不大于DN500时，管道只会出现无限塑性流动、循环塑性变形、疲劳破坏和整体失稳，而不会有其它方式的破坏出现，文献[1]给出了防止相应方式破坏出现的强度条件和稳定条件。国内热网工程实践证明，当上述条件得到满足时，DN500以下的管道将处于安全状态。　　当管道管径大于DN500时，除上述破坏方式外，管道局

3、部屈曲（见图1）出现的概率将大大增加，其直接因素是温差作用下管道的轴向应力：Δσ=εE=αEΔt（1）　　根据经典的弹性稳定理论，文献[2]提出直埋管道局部屈曲的许用轴向临界应力为：[σ]=0.0625E（2）　　由上述条件可知，管壁局部屈曲的可能性与管道的截面特性有关，当轴向应变一定时，管道的直径越大，局部屈曲的可能性也越大，而管道的壁厚越大，局部屈曲的可能性越小。　　对大口径管道，当管径和壁厚一定时，局部屈曲的可能性与其承受的轴向应变成正比，即与轴向应力成正比。而轴向应力主要取决于温度应力。为降低局部屈曲的可能性，

4、必须对温度应力进行控制。　　2　影响直埋管道温度应力的因素　　直埋供热管道的温度应力取决于温度变化产生的热胀冷缩变形的大小和变形的释放程度。热胀冷缩变形大小与温度变化有关，直埋管道中的温度变化可用图2简化模型表示。　　T1：管道工作循环最高温度，取用室外供暖计算温度下的热网设计供水温度。　　T2：管道工作循环最低温度，供暖期运行时取10℃。　　T0：管道整体焊接温度，冷安装取环境温度Te；预应力安装取预热温度Tp。　　管道热胀冷缩变形的释放取决于管段中是否设置补偿装置以及所计算的管道是否在补偿装置的补偿范围内。由于土壤

5、摩擦力对管道的约束作用，管道中将存在锚固段和滑动段。补偿装置对滑动段内管道的热胀变形起到了补偿作用，使温度应力得到一定程度的释放；而由于补偿装置对锚固段管道的热胀冷缩变形起不到补偿作用，热胀冷缩变形全部转化成温度应力。如图3所示。　　3　直埋管道温度应力控制方法　　3.1　无补偿冷安装　　无补偿冷安装是一项最简单的安装技术，管道在覆土前不预热。以图4(见下页)为例，管道在首次加热、冷却和再次加热的过程中经历的最大温度循环过程如下：　　1、在管道敷土后加热管道至130℃时，管道端点将移动δ120。　　2、在管道冷却至敷设

6、温度10℃时，锚固段的压应力将重新恢复为零。管道的自由端将反向移动，使摩擦力的方向改变。当正反两部分摩擦力达到平衡状态时，移动将停止，从图4可以看出，这将产生局部应力(拉应力)，其大小等于加热时压应力的一半。　　3、管道再次加热到110℃时，管道自由端将移动δ=(1/2)δ120,返回首次加热的位置。　　对于循环温度10℃→130℃→70℃→10℃→60℃→130℃，相对于10℃的初始位置，管道的位移见下表。　　在位移为δ=δ120的首次加热（过程1到过程2）后，对于以后的所有最大温度循环过程，位移都为δ=±（1/4）

7、δ120。锚固段管道的最大压应力与最大温度变化成正比：因此管壁局部屈曲的危险限定了冷安装的温度上限，只有在低于一定温度条件下采用冷安装才是安全的。　　3.2　敞开式预热安装　　在覆土前，管道可以进行敞开式预热。由于没有土壤摩擦力，管道的热胀变形可以提前释放，预热温度为管段内平均应力为零时的温度，该温度称为循环中间温度，以Tm表示。Tm=（3）　　预热管道的位移量δ按下式计算 δ=α(Tm－Ti)Lpr(4)　　式：Ti——预热管段初始应力为零时的管道温度（℃）；　　Lpr——预热管段长度（m）　　管道被加热到预热温度时

8、覆土后再冷却，使管道达到一定的平均应力水平。在首次运行加热移动后，其管端的位移与冷安装的位移大致相同，但避免了冷安装在首次移动时的较大位移。　　图5给出了一个敞开预热的例子，设T1=130℃，T2=10℃，则Tm==70℃。对于循环温度10℃→70℃→10℃→70℃→130℃，相对于70℃的初始位置，管道位移如下表所示：　　对于预