3 基于3种控制温差的管道工作状态分区
以设计压力为1.6MPa、管径为DN 1000mm的直埋管道为例,常见壁厚范围内的3种控制温差见图5。由图5可知3种控制温差的相对关系,管道的工作状态被划分为6个区域(Ⅰ~Ⅵ区)。本文对每个区域管道的工作状态进行分析。
①Ⅰ区(管道循环温差△t>△tmax)
在该区域内,管道循环温差高于最大允许循环温差,因此不允许管道进入锚固状态,且在计算安装长度时,需考虑弹性状态和局部稳定的需要,得到管道的最大允许安装长度,见式(6)。
式中Laz——最大允许安装长度,m
A——直埋管道的截面积,m2
Fmax——土壤与单位长度预制直埋管道保温管外壳的最大摩擦力,N/m
土壤与单位长度预制直埋管道保温管外壳的摩擦力计算见式(7)。当λ取最大摩擦系数时,得到土壤与单位长度预制直埋管道保温管外壳的最大摩擦力Fmax;当λ取最小摩擦系数时,得到土壤与单位长度预制直埋管道保温管外壳的最小摩擦力Fmin。
F=ρgDcπλ(h+Dc/2) (7)
式中F——土壤与单位长度预制直埋管道保温管外壳的摩擦力,N/m
ρ——土壤密度,kg/m3
g——重力加速度,m/s2
Dc——预制直埋管道保温管外直径,m
λ——摩擦系数
h——管顶埋深,m
② Ⅱ区(△ty<△t<△tmax,△tcr<△ty)
管道循环温差位于最大允许循环温差和屈服温差之间,但是由于此时局部稳定控制循环温差小于屈服温差,因此仍不允许进入锚固状态,管道的最大允许安装长度计算见式(8)。
③ Ⅲ区(△tcr<△t<△tmax,△ty<△tcr)
该区域内的管道最大允许安装长度计算公式同式(8),但是由于屈服温差小,管道允许进入锚固状态。管道刚投入运行时对应的过渡段最小长度和锚固段最大长度分别见式(9)、(10)。
式中Lmin——管道的过渡段最小长度,m
式中Lmax——管道的锚固段最大长度,m
当摩擦系数最小时,管道过渡段最大长度还须满足式(8)给出的局部稳定条件,其过渡段最大长度为:
式中Lmax——管道的过渡段最大长度,m
Fmin——土壤与单位长度预制直埋管道保温管外壳的最小摩擦力,N/m。
④ Ⅳ区(△ty<△t<△tcr)
管道循环温差位于局部稳定控制循环温差与屈服温差之间,因此管道安装长度不受限制,允许进入锚固状态,其过渡段最小长度和锚固段最大长度同式(9)、(10),而过渡段最大长度为:
⑤ Ⅴ区(△tcr<△t<△tcr)
由于循环温差小于屈服温差,因此管道永远处于弹性状态,但其安装长度受到局部稳定的限制,管道的最大允许安装长度计算公式同式(8)。
⑥ Ⅵ区[△t<min(△ty,△tcr)]
由于循环温差小于屈服温差和局部稳定控制循环温差,因此管道处于弹性状态下运行,管道安装长度不受限制。图5是综合考虑强度计算理论和弹性稳定理论而建立的适合大管径热水直埋管道的管道工作状态分区图。实际上,对于任意压力等级下任意壁厚的管道在相应的循环温差下,都可以在其对应分区图上找到工作状态点,进而判断其所处的区域和工作状态。
4 算例
某热网首站供水干管为Φ920×10的螺旋缝电焊钢管,材质为Q235,弹性模量为19.6×104MPa,线膨胀系数为12.6×10-6K-1,基本许用应力为125MPa,泊松数为0.3,管道设计压力为1.6MPa,设计温度为130℃,安装温度为10℃。采用直埋敷设方式,预制保温管外径为1055mm,管顶埋深约为1.4m。
由以上公式计算得到3种控制温差:△tcr=86℃,△tmax=130℃,△ty=101℃。由于循环温差△t=120℃,则可以判断管道工作点位于Ⅱ区,管道在弹性范围内工作,最大允许安装长度Laz=119m。
校核其整体失稳和截面椭圆化变形条件也可以满足要求,即如果该管道采用无补偿冷安装敷设方式,最大允许安装长度不应超过119m。安装长度如此小是为了防止发生局部屈曲。
5 增大管道最大允许安装长度的措施
在防止大管径直埋供热管道产生局部屈曲的前提下,增大管道最大允许安装长度的措施为:
① 适当增大钢管壁厚,局部稳定控制循环温差和最大允许安装长度随之增大,但是如果壁厚超过一定范围,工程经济性将变差。
② 预热安装,减小热胀变形和温差引起的轴向应变,可以有效降低局部失稳出现的概率。预热安装需要计算合适的预热温度[5],以防止冷水运行或降温过程中发生管道断裂。同时,还应考虑管道检修、阀门更换时已拉伸管道回缩的现象,切管后如果不采取措施,需重新对该管段进行冷安装状态下的强度和稳定性计算。
③ 设置补偿器。对于热网的输送干管而言,增加了热网维修点和发生故障的概率。
参考文献:
[1] 牛小化.大管径热水供热管道直埋设计的探讨[J].煤气与热力,2007,27(7):76-81.
[2] 唐山市热力总公司.CJJ/T 81—98城镇直埋供热管道工程技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,1998:7-12.
[3] 王飞,张建伟.直埋供热管道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2006:50-65.
[4] 全国压力容器标准化技术委员会.JB 4732—1995钢制压力容器——分析设计标准[S].北京:中国标准出版社,1995:11-18.
[5] 王飞,王国伟,孙刚,等.直埋管道预热安装的安全性研究[J].材料科学与工艺,2009,17(2):203-207.