（化学工程专业论文）热水管道直埋敷设研究.pdf

西北大学学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被 查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学 位论文。同时，本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文 章一律注明作者单位为西北大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：盔垫指导教师签名： 曲。罩年6 月二日年月 日 西北大学学位论文独创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，本论文不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得西北大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 学位论文作者签名：素砖即 鲫7 年月日 西北大学工程硕士论文摘要 摘要 结合城市集中供热管网改造“十一五”规划( 2 0 0 6 2 0 1 0 年) 的总体原则， 就我国供热管道沿袭采用地沟敷设方式存在的问题进行简要说明，介绍我国目前 直埋供热管道的发展现状。 以北京首都机场扩建南区主体建筑t 3 航站楼热网管线为例，对热水管道直 埋敷设方式进行比较。总结出无补偿直埋敷设的设计方法采用应力分类法，计算 难度大于有补偿直埋敷设，但无补偿直埋敷设的管道布置形式、施工难度、运行 维护及经济性均优于有补偿直埋敷设。 以城镇直埋供热管道工程技术规程为工程设计指导，按规程的思路框架， 结合实际工程的设计步骤，采用规程中的简化公式，对实际管道系统中的直管段 ( 包括过渡段、锚固段) 、转角管段( 弯头) 、三通支管进行分析计算。 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面，其中稳定 破坏又包括整体稳定破坏和局部稳定破坏两种方式。我国现行的城镇直埋供热 管道工程技术规程( c j j t 8 1 - 9 8 ) 对管道的强度破坏和整体稳定破坏的验算已 有详细的规定，但是没有包括管道的局部稳定性分析。本论文应用经典板壳稳定 性理论，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，提出了判 定直埋供热管道局部稳定性的验算条件，并且推导出了高温水直埋管道锚固段轴 向失稳的临界径厚比。这一结论对指导工程设计具有十分重要的意义。 研究热水管道直埋敷设技术为解决化工装置中带有温度的热废水排放问题 提供了一条新思路和方法，对指导实际工程设计具有十分重要的意义。 关键词：热水管道直埋敷设无补偿有补偿稳定性 热水管道直埋敷设研究 西北大学工程硕士论文 a b s t r a c t ： t h et h e s i si n t e n s et o a n a l y s i s a n di n t r o d u c ea na d v a n c e d t e c h n o l o g yo fd i r e c t l yb u r i e dh o t - w a t e rp i p e l i n e s t h ed e s i g nm e t h o d s ，p i p e l i n ea r r a n g e m e n tf o r m s ，c o n s t r u c t i o n d i f f i c u l t i e sa n do p e r a t i o nm a i n t e n a n c eb e t w e e nd i r e c t l yb u r i e d i n s t a l l a t i o nw i t h o u te x p a n s i o nj o i n ta n dd i r e c t l yb u r i e di n s t a l l a t i o n w i t he x p a n s i o n j o i n ta r ec o m p a r e d t h ed e s i g nr e s u l t sa n de c o n o m y o ft h et w oi n s t a l l a t i o nm e t h o d sa r ea l s oc o m p a r e dw i t h a n e n g i n e e r i n ge x a m p l e t h ef e a s i b i l i t yo fd i r e c t l yb u r i e dh o t w a t e rp i p e l i n e sa r es t u d i e d a c c o r d i n gt o t h et e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o nf o rd i r e c t l y b u r i e d h e a t i n gp i p e l i n ee n g i n e e r i n g i n c i t y , t h ed e s i g n m e t h o d so f d i r e c t l yb u r i e dh o t w a t e rp i p e l i n e sa r es h o w e d t h el o c a ls t a b i l i t yo fd i r e c t l yb u r i e dw i t h o u te x p a n s i o nj o i n t h o t - w a t e rp i p e l i n e sa r ea n a l y z e d k e yw o r d s ： h o t - w a t e r p i p e l i n e ，d i r e c t l y b u r i e di n s t a l l a t i o n ，w i t h o u t e x p a n s i o nj o i n t ，w i t he x p a n s i o nj o i n t ，l o c a ls t a b i l i t y 热水管道直埋敷设研究 第2 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 我国城市集中供热管网改造规划 城市集中供热管网改造“十一五”规划( 2 0 0 6 2 0 1 0 年) 的总体原则为： 安全，节能，经济。规划要求突出重点的解决影响供热安全、节能和经济方面的 问题，管网的改造应考虑规划发展和资源整合的要求，采用安全，可靠，节能的 新技术，避免原样翻建。 为使改造后的管道能达到规划目标和技术要求，规划中建议采用无补偿直埋 敷设等先进方式，尽量减少补偿器等管道附件，延长管网使用寿命。 1 1 2 供热管道地沟敷设存在的问题 几十年来，我国的供热管道沿袭采用地沟敷设方式。供热管道地沟敷设主 要存在以下问题： 1 地沟敷设管道常用的保温材料，如岩棉珍珠岩，矿棉等材料多数防水 性较差或者就是吸水性材料。这些保温材料在地沟内经水浸泡或者在热湿作用 下，不仅降低了保温效果，而且年年需要维修。钢管处于热湿环境中，缩短了使 用寿命，增加了供热成本。 2 保温外护结构采用缠绕包折方式，接缝多，热损失大。据测试，一般接 缝处散热量约为其它部位散热量的5 倍左右在潮湿环境下，采用镀锌铁丝捆绑 保温结构，铁丝很容易锈蚀断裂，引起保温层脱落，增大了管网的热损失。根据 对运行三年的供热管网( 珍珠岩保温) 的测试，热损失高达2 5 左右，每千米温 度降达1 0 到2 0 ( 2 ，远远超过国家规定的热网允许指标，能源浪费严重。 3 由于地沟敷设供热管道的挖沟、砌沟，管道安装、管道保温，地沟回填 等施工工序均在现场进行，施工人员劳动环境恶劣，施工周期长，对城市交通影 响大，工程造价高 热水管道直埋敷设研究第5 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 4 据有关资料介绍，每年新建供热管道地沟大约需运走土方4 5 亿吨，运 进砖灰等建筑材料2 4 亿吨，往返运输上述土方和建筑材料，需用4 吨位载重汽 车约1 7 亿车次。大量运土的汽车造成了交通堵塞，路面毁坏，尘土抛洒，尾气 污染和噪声污染，给城镇环境带来很大的危害。 因此，从节约能源、降低造价缩短工期环境保护提高社会效益等方面 考虑，传统的地沟敷设供热管道方式必须予以改革 1 1 3 国外直埋供热管道发展概况 为了解决供热管道地沟敷设的种种弊端，国外的一些技术发达国家，如瑞典、 芬兰、丹麦、德国等国家早在2 0 世纪3 0 年代就开始研究和应用直埋敷设代替地 沟敷设的供热方式。在丹麦、芬兰，全国9 0 以上的供热管道采用直埋方式。 冰岛仅有十几万人口的首都雷克雅未克，采用直埋供热管道的总长度达5 9 1 k m 。 瑞典，芬兰丹麦，德国，意大利等国家都有一个或几个专门生产预制保温管的 工厂，理论研究和产品开发进展很快。他们采用了渗漏报警检查系统，增强了直 埋供热管道的安全性。丹麦的i c m o l l e c 公司和瑞典的e c o p i p e 公司，是目前 世界上两个最大的生产预制保温管的厂家这两个公司年产d n 2 0 一d n l 2 0 0 的预 制保温管分别为1 1 0 0 k m 和8 0 0 k m ，其产品远销美国、欧洲，非洲等十几个国家。 1 1 4 我国直埋供热管道发展现状 我国科技人员早在2 0 世纪5 0 年代就开始了填充矿渣棉，预制泡沫混凝土瓦 块等保温材料的供热管道直埋施工。但是因为防水性差，管道外腐蚀严重、使用 寿命短等问题，直埋技术一直进展缓慢。 2 0 世纪8 0 年代我国的供热管道直埋技术掀开了新的一页。沈阳，佳木斯、 北京，大庆，黑河，阜新等地采用聚氨酯泡沫喷涂保温，外缠玻璃丝布、涂沥青 的方法进行供热管道直埋敷设。其中，我院是第一家在沈阳进行供热管道直埋敷 设的设计院，当时工程所用管子就是从瑞典的e c o p i p e 公司引进的，同时还采用 了报警检查系统，增强了直埋供热管道的安全性到1 9 8 4 年，我国供热科技人 员通过考察学习引进吸收，使供热预制保温管技术和直埋技术有了长足的发展 热水管道直埋敷设研究第6 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 哈尔滨，鸡西，天津等地分别从丹麦、瑞典等地引进数十公里预制保温管。哈尔 滨建成一座年产2 0 0 k m 的预制直埋保温管厂天津大学和天津建筑塑料制品厂联 合研制了氰聚塑直埋保温管，并在国内一些城市应用了数百公里。哈尔滨建筑工 程学院中国矿业大学北京研究生部，沈阳市热力设计院等单位对直埋管道的力 学性能，设计原理，施工技术措施等进行了系统的理论研究和施工实践。 1 9 9 8 年，中华人民共和国行业标准城镇直埋供热管道工程技术规程 ( c j j t 8 1 - 9 8 ) 颁布执行。标准本着“技术可行、先进、可靠经济合理”的 原则，吸收国内外相关标准中精华和研究成果编制而成。中华人民共和国建设部 还发布了高密度聚乙烯外护管聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管c j t 1 1 4 - 2 0 0 0 与高密度聚乙烯外护管聚氨酯硬质泡沫塑料预制直埋保温管件c j t1 5 5 - 2 0 0 1 的行业标准。 1 1 5 供热管道直埋敷设的优点 经过十余年的应用证明，供热管道直埋敷设具有良好的社会经济效益，主 要表现在以下几个方面： 1 。工程造价低 据有关部门测算和对部分单位工程统计，双管制供热管道，一般情况比地沟 敷设可以降低工程造价2 5 ( 玻璃钢保护层) 和1 0 ( 高密度聚乙烯保护层) 左右，见表1 - 1 表1 1 地沟敷设与直埋敷设供热管道经济技术比较( d n 2 0 0 ) 使施施占 热损标准工程维修用 工工 地遇障遇水处 失耗煤造价费 寿 周 难 面碍物理 命 期 度积 直埋施工降 1l114短 小小 少 敷设 水 地沟作防水 2 5 32 5 31 0 66 3 61长大 大多 敷设处理 热水管道直埋敷设研究第7 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 2 热损失小，节约能源 由于直埋保温管采用聚氨酯硬脂泡沫塑料作保温材料，其导热系数比其它普 通保温材料低的多，保温效果提高4 8 倍，见表1 - 2 。 表1 - 2 保温材料导热系数 聚氨酯硬岩棉膨胀 石棉泡沫 水泥 质泡沫塑玻璃珍珠 毡混凝土矿渣棉 料棉岩 导热系数( w 0 0 1 5 0 1 2 8 一o 0 8 1 0 1 1 60 0 7 40 0 8 1 m )o 0 3 5o 3 9 50 1 0 1 平均密度 6 0 _ 8 0 1 5 01 2 0 ( k g m 3 ) 聚氨酯硬质泡沫塑料吸水率低，小于1 0 ，这是其它保温材料不可比拟的。 低导热率和吸水率，加上保温层外面防水性能好的高密度聚乙烯或玻璃钢保护 壳，克服了传统的地沟敷设供热管道“穿石棉袄”状况，大大减少了供热管道的 整体热损失。 据天津大学建筑设计研究院测试“氰聚塑直埋供热管道”的热损失，和用普 通保温材料保温的直埋供热管道比较，热损失降低4 0 一6 0 。 据北京煤气热力设计院测试结果，采用聚氨酯硬质泡沫塑料保温的保温管是 采用沥青珍珠岩，水泥珍珠岩瓦作保温材料的保温管热损失的2 5 一4 0 。 根据太原市热力公司的测试，聚氨酯硬质泡沫塑料保温管，每1 0 公里降温1 2 据天津市自来水公司所统计的“直埋和地沟敷设热损失比较及折合煤耗的平 均比例为l ：2 5 3 ，直埋敷设比地沟敷设减少耗煤量约4 0 。9 0 年代全国每年供 热耗煤约1 2 7 亿吨，如果能降低耗煤2 0 ，则全国每年可节煤2 5 4 0 万吨( 相 当于两个特大矿务局年产量) 。 3 防腐绝缘性能好使用寿命长 预制直埋保温管聚氨酯硬质泡沫塑料保温层牢固地粘接在钢管外皮上，阻止 热水管道直埋敷设研究第8 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 了空气和水的渗入因为它的发泡孔都是单独封闭互不连通的小圆孔，闭孔率很 高，因此它的吸水率很低。同时高密度聚乙烯外保护层，玻璃钢外保护层等均具 有良好的防腐、绝缘和机械性能，因此也能起到良好的防腐作用。所以只要管道 内部水质处理好，保温管道使用寿命可达3 0 年甚至更长，比传统的地沟敷设提 高寿命3 4 倍。 在地下水位高的地区，地沟敷设供热管道由于地沟内积水，甚至夏季也浸泡 在水中，保温层极易被水泡坏，再加上地表水的盐碱腐蚀，年年需要维修。不仅 热损失剧增，增加了供热成本，而且缩短了钢管的使用寿命。直埋管道整体性好， 只要做好接1 ：2 保温就可有效的解决地下水位高及地沟敷设供热管道防水的困难。 工程实践证明，直埋供热保温管可以在河床底部直埋穿越。 4 占地少、施工快、有利于环境保护和减少施工扰民 直埋供热管道不需要砌筑庞大的地沟而只需开槽，因此大大减少了工程占 地，减少土方开挖量约5 0 ，减少土建砌筑和混凝土量8 0 ，减少沟土外运量 5 0 以上。同时保温管制造和施工现场开槽同时进行，保温管只需在现场焊接和 接头保温，因此可以大幅度缩短工期。 由于减少了砖，水泥、砂石，余土等的运输，从而减少了施工过程中汽车尾 气排放量，扬尘量噪声排放量，保护了环境。 由于缩短工期，减少了管沟施工过程中对居民出行的影响，缩小了施工过程 对道路交通的影响。 供热管道中采用直埋敷设和地沟敷设相比，有不可比拟的优越性，具有显著 的社会效益、经济效益，节能效益，这些优点是城镇集中供热管网直埋敷设得以 实现的有力保证。 1 2 论文研究的主要内容和意义 1 2 1 论文研究的主要内客 本论文主要介绍和研究了以下内容： 热水管道直埋敷设研究第9 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 一，供热管道直埋敷设的优点 二，对热水管道直埋敷设的方式进行比较 三，热水管道无补偿直埋敷设的可行性研究 四，热水管道直埋敷设的设计方法 五，热水管道无补偿直埋敷设的设计方法 六，直埋供热管道局部稳定性分析 七，论文总结及后期展望 1 2 2 论文研究的意义 对于大型集中供热系统，几十公里长的管道埋入地下后尤如地下“钢铁长 城”，其经济性和安全性直接牵涉到千家万户。如何采用先进的技术进行设计才 能节省投资，节约能源，延长使用寿命，提高效益显得尤为重要。本文通过对比 和结合工程实例介绍了热水管道无补偿直埋敷设技术，这一技术不仅具有传统地 沟敷设难以比拟的先进性能、实用性能，而且还具有显著的社会效益和经济效益， 同时也是供热节能的有利措施。采用直埋供热管道技术，标志着我国供热管道技 术发展已经进入了新的起点 我国现行的城镇直埋供热管道工程技术规程( c j j t s l - 9 8 ) 对管道的 强度破坏和整体稳定破坏的验算已有详细的规定，但是没有包括管道的局部稳定 性分析。本论文应用经典板壳稳定性理论，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，提出了判定直埋供热管道局部稳定性的验算条件，并且 推导出了高温水直埋管道( q 2 3 5 钢) 锚固段轴向失稳的临界径厚比，这一结论 对指导工程设计具有十分重要的意义。 在我们实际的工程设计和现有的化工装置中，大多采用把排放管子埋放在 地沟中的敷设方式。当排放管中介质带有温度时，由于地沟在化工装置中是排水 沟，常常会聚集废油和一些可燃气体，由于高温排放管的影响，地沟就变成一个 危险源，给装置带来不安全隐患。研究热水管道直埋敷设技术为解决化工装置中 带有温度的热废水排放问题提供了一条新思路和方法，对指导实际工程设计具有 十分重要的意义 热水管道直埋敷设研究 第1 0 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 1 3 论文的组织结构 第一章绪论主要介绍了论文研究的背景、意义，热水管道直埋敷设 技术发展的现状和论文的主要内容，以及论文的组织结构 第二章相关规范和技术理论主要介绍了我国的管道安全监查和直埋 热水管道的相关标准规范，同时把分析设计法对各类应力强度的限制进行解释和 说明。 第三章热水管道直埋敷设方式比较以首都机场南区供热管网扩建项 目为例，从设计方法，管道的布置形式，施工难度，运行维护、设计结果和经济 性等方面对无补偿冷安装直埋敷设和有补偿直埋敷设进行比较 第四章热水管道无补偿直埋敷设的可行性根据管道材料承载应力的 能力及土壤与管道保护外壳之间的摩擦力对管道所产生的约束，探讨无补偿直埋 敷设的可行性 第五章热水管道直埋敷设的设计方法以城镇直埋供热管道工程技 术规程为工程设计指导，按规程的思路框架，结合实际工程的设计步骤，采用 规程中的简化公式，对实际管道系统中的直管段( 包括过渡段，锚固段) ，转角 管段( 弯头) ，三通支管进行分析计算。 第六章热水管道无补偿直埋敷设的设计方法主要介绍了无补偿直埋 敷设的基本原理、应力计算，预热温度的确定以及无补偿直埋敷设的预热方法。 第七章直埋供热管道局部稳定性分析对直埋管道受横向外压和轴压 作用下的局部失稳进行了深入分析，提出了判定直埋供热管道局部稳定性的验算 条件；同时推导出了高温水直埋管道锚固段轴向失稳的临界径厚比。 第八章总结总结了论文的主要内容，结合论文研究中的局限性，提出今 后研究的方向。 热水管道直埋敷设研究第1 1 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 第二章相关规范和技术理论 2 1 相关的国家规范 2 1 1 我国的管道安全监察 管道作为重要的运输工具在以往未受到国家重视，致使管道管理混乱，无章 可循，压力管道事故居高不下。近几年压力管道才受到国家的高度重视。 为了加强特种设备的安全监察，防止和减少事故，保障人民群众生命和财产 安全，促进经济发展，劳动部专门成立了“压力管道安全监察处”，并颁发了压 力管道安全管理与监察规定) ) 。国家质量监督局颁发了压力管道设计单位资格 认证与管理办法。从事压力管道设计单位及其设计审批工作的人员必须取得国 家质量技术监督局或省级质量技术监督局或省级质量技术监督行政部门颁发的 压力管道设计证书压力管道设计审批人员资格证书，取得设计单位资格 和人员资格方可从事压力管道设计及审批工作，并要求定期复查。国家颁布中华 人民共和国国务院令第3 7 3 号特种设备安全监察条例，并将压力管道列为特 种设备的一种。其中给出了有关压力管道的定义，压力管道，是指利用一定的压 力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等 于0 1 mpa ( 表压) 的气体、液化气体，蒸汽介质或者可燃，易爆，有毒、有 腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于2 5 i t i i t i 的管道。从此改变了压力管道不受重视的状况。 2 1 2 直埋供热管道的相关标准规范 直埋供热管道和供水管道雨污水管道，供煤气管道都属于市政管道，在直 埋地下方面具有共性在地震区、湿陷性黄土地区和膨胀土地区，供热管道和供 燃气、供水排水管道在安全性上有共同要求。因此，直埋供热管道应遵守国家 已经颁布的室外给水排水和煤气热力工程抗震设计规范( g b 5 0 0 3 2 ) 湿陷性 黄土地区建筑规范( g b j 2 5 ) 和膨胀土地区建筑地基技术规范( g b j l l 2 ) 的 有关规定 热水管道直埋敷设研究第1 2 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 城镇直埋供热管道属于城市热力网范畴。直埋供热管道既然是热力网，理所 当然应当遵守城市热力网设计规范( c j j 3 4 ) 和城供热管网工程施工及验收 规范( c j j 2 8 ) 。 有关直埋供热管道的设计，为了保证设计质量，提高设计水平，国家专门出 台了城镇直埋供热管道工程技术规程( c j j t 8 1 - 9 8 ) 和其它相关标准。 2 2 相关的概念和理论 根据产生应力的荷载不同，将应力划分为一次应力( p ) 二次应力( q ) 和峰值 应力( f ) 。一次应力( p ) 有三种类型：一次总体薄膜应力( p m ) ，一次局部薄膜应 力( p 1 ) 和一次弯曲应力( p b ) 。对管道进行应力分析在应力分类之后，分析设 计法将采用一系列的合适的设计准则对各类应力强度进行限制，以保证管道的安 全。 其中：p 一一次应力，指由所加荷载引起的正应力和剪应力。 p 。一一次总体薄膜应力，指在所研究的截面厚度上均匀分布的，且 等于该截面应力平均值的法向应力的分量。 p l 一一次局部薄膜应力，指由内压或其他机械荷载产生的，由于结构 不连续或其它特殊情况的影响而在管道或附件的局部区域有 所增强的一次薄膜应力 p b 一一次弯曲应力，指在所研究的截面上法向应力从平均值算起的 沿厚度方向变化的分量。 q 一二次应力，指相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应 力或剪应力。其基本特征是有自限性。 f 一峰值应力，指局部结构不连续或局部热应力效应附加到一，二次 应力上的应力增量。管道上应力增强系数就是考虑到峰值应力。 热水管道直埋敷设研究第1 3 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 2 2 1 应力强度及基本许用应力强度 1 应力强度s 应力分类中的一次应力p ( p 正、p b 、p i ) ，二次应力q 及峰值应力f 每一符号 均代表6 个应力分量( 三个正应力和三个剪应力) ，而压力管道中的三个正应力 就是三向主应力。分析设计法应将各类应力中的各向应力分别进行代数叠加，将 叠加后的三项应力按第三强度理论计算出最大剪应力再乘2 称为“应力强度”，再 按有关的设计准则进行强度校核。应力强度s 取下列三者中绝对值最大者： 厂( o l - 0 2 ) 应力强度s = 2 恤， ( 0 2 - 0 3 ) 三者中绝对值最大者 l ( 。，。) 强度条件应满足：s ! ( 1 3 0 ) s 。 式中的0 1 ，0 2 ，0 3 为某一校核点上的三向主应力。在大多数压力管道中按r ， 0 z 方向选定三向应力时，其剪切应力要么为0 ，要么相对很小，可以忽略。 因此上述选定的三向应力即为三向主应力 2 ，基本许用应力强度s m 在强度校核中应力强度的容许值为许用应力强度。由于分析设计中对不同类 别的应力应采用不同的许用应力强度来校核，而其最基本的许用应力强度基准称 为基本许用应力强度，其符号为s 。 基本许用应力强度s 。是按材料的短时拉伸性能除以相应的安全系数而得。 这些短期拉伸性能包括常温拉伸的抗拉强度o b 及屈服点o y ，高温下的抗拉强度 o ：和屈服点唧t ，相应的安全系数分为l i b ，n y ，n 5 ，n ；。见表2 - 1 ： 熟水管道直埋敷设研究第1 4 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 表2 - i 基本许用应力强度极限的安全系数 对常温下的最对常温下的最 对设计温度下的最低屈 材料 低抗拉强度，o b低屈服强度，o ， 服强度，o ；t 碳素钢，低合金钢 n 。；1 5 n b = 2 6 1 1 ，= i 5 奥氏体不锈钢 n b = 2 6 n 。= 1 5 “y = 1 5 或n y = 1 儿 我国分析设计规程中取为f i b = 2 6 是在调研了以往的使用情况和参考国外同 类规范的情况下确定的。在采用o y n y 的同时再参考o b n b 来确定许用应力，反 映了防止发生拉伸断裂的意图。将为f i b 从3 0 下降到2 6 ，意味着基本许用应力 强度值的提高。由于分析设计有详尽的理论计算，有较严格的材料，制造检验和 验收规程，所以将安全系数适量降低是合理的 对于奥氏体不锈钢，因无明显的屈服点，其条件屈服点o 0 。是根据残余应变 为0 2 时的应力值来确定的。当其变形量高达4 时，其条件屈服点可提高3 0 ，此时仍有良好的塑性和韧性。因此对于那些可以允许有微量永久变形的奥氏 体不锈钢部件当设计温度低于蠕变温度范围时，可以适当提高许用应力，即采用 f l y ；1 1 5 来确定s m ，这几乎达到0 9 0 y ，但不应超过屈服应力吒( c r o 。) 的0 6 6 7 倍。 3 应力强度的限制条件 一次总体薄膜应力( p 。) 在管道内呈总体分布，且无自限性，只要一点屈服 即意味着整个截面以至总体范围屈服并将引起的显著的总体变形。因此应与规则 设计一样采用弹性失效设计准则，即以基本许应用力强度s 。作为一次总体薄膜 应力强度的限制条件： 隧s m 一次局部薄膜应力( p l ) ，其中有一次应力的成份( 例如总体不连续区内由 压力直接引起的薄膜应力) 也有二次应力的成分( 如不连续效应引起的周向薄膜 热水管道直埋敷设研究第1 5 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 应力) 。它既有局部性，有的还有二次应力的自限性，因此不应限制过严，可比 p m 放宽。但另一方面局部薄膜应力过大，会使局部材料发生塑性流动，引起局 部薄膜应力的重新分布，即把载荷从结构的高应力区向低应力区转移。若不加限 制将导致过量的塑性变形而失效。a s e mv i - 2 认为只要满足 p l i 5 s m 即可保证安全。但该1 5 值不是从严格的理论推导得来的 除p m 及p l 应单独作应力强度的校核外，压力管道中的二次应力( q ) 和峰值 应力( f ) 以及一次弯曲应力( p b ) 一般不单独存在，而是常与p m ( 或p l ) 组合存 在。组合应力完全可能大到使材料发生局部屈服，但即使如此也不一定导致破坏。 若此时按弹性失效设计准则加以限制的过于保守，故改用塑性失效等其他设计准 则来导出限制条件。这便是分析设计的主要特点。对组合应力强度的限制条件计 有： p l + p b i 5s m p l + p b + q 3s m p l + p b + q + f s 2 s a 其中：q 一二次应力 p l 一次局部薄膜应力 p b 一次弯曲应力 s m 基本许用应力强度 s a 安全应力幅 该三项限制条件是以首先满足p 。曼s 。及p l i 5 s m 为前提的。上述三式左 端的应力分析均可采用弹性应力分析方法，而可不用塑性应力分析方法。叠加后 的组合应力超过屈服强度值时称为弹性的“虚拟应力”或“名义应力”然后右端 的限制值的确定则是采用塑性分析方法或疲劳分析方法等导出的。 热水管道直埋敷设研究第1 6 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 2 2 2 极限载荷设计准则 这是塑性分析中常用的强度设计准则。假设材料具有理想塑性材料的行为 ( 即无应交硬化) ，某一载荷下进入整体屈服或局部区域的全域屈服后，变形将 无限制地增大，从而失去承载能力，这种状态即为塑性失效的极限状态，这一载 荷即为塑性失效时的极限载荷。用这种塑性极限荷载即可以确定管道组合应力强 度的极限控制条件。 极限载荷有许多求解方法，这里以最简单的矩形截面梁受弯曲直至出现“塑 性铰”时的极限载荷求法来说明。 1 、纯弯曲的矩形截面梁 这种梁在弹性情况下的截面应力是线性分布，中性层为0 ，表面层为最大。 弯矩载荷m 所对应的最大应力为： o m a x ：罢 ( a ) 伽a x 2 面吐i b 当o 。，；田即表层材料屈服时所对应的载荷为最大弹性承载能力 6 h m 2 a y _ f ( b ) 此时梁刚达到弹性失效状态。但从塑性失效观点来看，此梁除上下表层材料 屈服外，其余材料仍处于弹性状态，还要继续加载。 如果假设管道的材料为理想塑性材料，如2 - 1 图所示，继续加载后屈服后层 增加，弹性层减少当外加弯矩增大到使梁的整个截面部都屈服时粱的承载能力 便达到极限，不需再增加载荷也可使粱的变形无限地增大，即形成了“塑性铰” 形式的塑性失效。 e 尹专熟报 图2 - 1纯弯曲矩形截面梁的极限分析 此时的载荷m 7 即为极限载荷： 热水管道直埋敷设研究 第1 7 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 2 【o y ( b 号，；】2 = 。等 此武与前式( b ) 相比可见m 7 = i 5 m ，即塑性失效时的极限载荷比弹性失 效时载荷增大到1 5 倍。为了便于与弹性分布的应力相比，若将极限载荷下的应 力视为虚拟的线性分布的( 图2 - i 中的虚线) ，则可计算出极限载下的虚拟弹性 应为： 。等；荨吐，。， 一可。1 r 。1 如7 岫 。1 6 若仍用1 5 倍的安全系数，便可得到极限载荷法的纯弯曲矩形截面梁的应力 限制条件： 0 7m a x i 5 a y a a x ，百百2 1 5 s m 2 拉弯组合的矩形截面梁 如图2 - 2 所示的梁同时承受弯矩和拉伸载荷，截面上的应力可进行拉弯叠 加与纯弯曲相比，其中性层发生了偏离，偏离值y 取决于拉伸载荷p 的大小。 当载荷增加时( 可增加p 或m ，也可两者同时增加) 梁表面层应力达到屈服 态，此时仍可继续加载，使屈服层增厚，直至整个截面的应力均达到屈服状态。 此时的载荷( 包括p 和m ) 便为该状态的极限载荷，该状态也为出现了“塑性铰” 的塑性失效状态。图2 2 中的( b ) 一( d ) 反映了p 保持不变仅增加m 时的情况。 与纯弯曲相比，由于p 的存在，中性层就会偏离。 图2 - 2 拉弯组合矩形截面梁的极限分析 在极限载荷下，利用力的静平衡关系可以导出偏心值y ： 热水管道直埋敷设研究第1 8 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 b 专+ y ) o y - b ( ；一y ) 。，；p ( e ) p 2 b g y 拉伸载荷p 愈大则y 也愈大，当p = o 时y = o ，即为纯弯曲。 再利用力矩平衡关系可导出极限载荷与虚拟应力值： p y + m 曲专+ y ) 。v 丢考+ y ) 岫考一y ) 。r 丢专- y ) ( f ) 得m 扣何弓丧 一o b 3 2 【1 一p ) 2 】 o yo y 如果此式中的o t 代表一次膜应力p l ，0 1 代表一次弯曲应力p b ，则该式便是 p l + p b 组合应力强度在达到塑性失效极限载荷应满足的关系。若将上式两端加一 o t 项一： o ” i a b + e t = i 3 ( 1 弓( o t o y ) _ 芦o y ) 2 ) o y zj 此式可标绘成图2 3 的曲线。纵坐标垡言生相当于一次薄膜应力加一次弯曲 应力与屈服强度的比值，横坐标嚣相当于一次薄膜应力与屈服强度之比。曲线 a b c 即为警t i 3 ( 1 专( 。o 歹t ) 一苦) 2 ) ，表示拉弯组合应力强度达到极限载 热水管道直埋敷设研究第1 9 页共5 9 页 应 悼拉表 心剐分 尝 m 可 及 p 一曲 以并 岫锄 以 则 乘 ， 均 式 项 上 各 入 ， 代 式 力 上 应 换 曲 变 弯和力 西北大学工程硕士论文 荷时发生塑性失效的极限曲线a 点表示纯弯曲时的极限载荷状态，b 点表示纯 拉伸时的极限载荷状态，a b 曲线则为各种拉弯组合时达到极限载荷状态。 设计时的允许值可以这样确定：以极限载荷曲线为基础给予1 5 的安全系 数。为简便起见以直线d e 作为纯弯曲及拉弯组合时的共同限制条件。d e 线所代 表的正是o t + f f b 2 1 o a y ，相当于g t + o b 。1 5 ( 雷) = 1 5 s m 对于一次薄膜应为g t 仍应以s m 为限制条件，相当于嚣= i 专= o 6 7 ，相当于图中e f 线所给予的限制。 因此在o d e f 方框内均为设计允许的安全区。 以上便是由极限载荷设计准则导出p l + p b _ i 5 s m 的概况。应当指出，该结论 是由矩形截面梁导出的，当为圆形截面的梁时则为1 7 s 。而不是1 5 s 。另外， 以矩形截面直梁出现塑性铰作为极限状态导出的判据，可近似地用于板壳结构的 压力管道拉弯组合力强度的校核，而且是偏于安全的。 2 2 3 安定性准则 图2 - 3 拉伸与弯曲组合作用时塑性 失效极限载荷线与设计允许范围 含二次应力( q ) 的组合应力强度若仍采用由极限载荷准则导出的1 5 s m 来 限制则显得很保守。这是由于二次应力具有自限性，只要首先满足对一次应力强 度的限制条件( p d s m 及p l + p b i 5 s 。) ，则二次应力的高低对结构承载能力并无 很显著的影响。在初始几次加载卸载环中产生少量塑性变形，在以后的加载卸载 循环中即可呈现弹性行为，即结构呈安定状态。但若载荷过大，在多次循环加载 时可能导致结构失去安定丧失安定后的结构并不立即破坏，而是在反复加载卸 热水管道直埋敷设研究第2 0 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 载中引起塑性交变变形，材料遭致塑性损伤而引起塑性疲劳。 因此“安定性”的含义是，结构在初始阶段少数几个载荷循环中产生一定的 塑性变形外，在继续施加的循环外载荷作用下不再发生新的塑性变形，即不会发 生塑性疲劳，此时结构处于安定状态。 作为强制限制条件可以采用安定性准则。下面分析结构保持安定的条件，即 导出安定性设计准则。 当某处包含二次应力在内的组合应力( p l + p b + q ) 超过屈服强度后用弹性虚 拟应力表示。现用图2 - 4 进行安定性准则分析。 ( 1 ) o y 0 1 2 0 y 如图2 - - 4 ( b ) 所示， 强度值后，卸载时从b 点沿b c 线下降， 塑性区内的虚拟弹性应力超过两倍屈服 此时可能由于约束而产生反向压缩屈服 而达到d 点。于是第二次加载卸载循环则沿d e b c d 回线变化如此多次循环则反 复出现拉伸屈服和压缩屈服，则可能引起塑性疲劳，结构便处于不安定状态。 ( 3 ) 0 1 ；2 0 ，如图2 - 4 ( c ) 所示，这是安定与不安定的界限。第一次加 载卸载的应力应变回线为o a b c ，这是不出现反向屈服的最大回线，以后的加载 卸载的应力应变循环均沿一条最长的b c 线变化，不再出现新的塑性变形，表现 出最大的弹性行为，即达到安定状态。与此对应的虚拟应力0 1 正好为2 0 y ，因此 o l 2 0 y 即为出现安定的条件 已如前述，只要能保持安定，二次应力的存在并不影响结构的承载能力，因 此作为安定性设计准则并不需要再给安全系数由于2 0 y = 2 1 5 s = 3s - ，故用 安定性准则来限制含二次应力的组合应力强度的表达式为： 熟水管道直埋敷设研究 第2 l 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 p l + p b + q 3 s m 由于实际材料并非理想塑性材料，屈服后还有强化能力，因此上面导出的安 定性条件o l p ，故可略不计 所以，根据材料力学的第四强度理论，则有： 式中：仃。第四强度理论的相当应力，m p a 热水管道直埋敷设研究 【o 】钢材在温度t 下的许用应力，m p a 第3 0 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 4 1 2 计算实例 供热管道，管径为q ) 2 1 9 m mx 6 m m ，管材为q 2 3 5 钢，热水温度为9 5 。c ，工 作压力为1 o m p a ，验算其应力情况。 1 列出q 2 3 5 钢在9 5 。c 的特性数据 【a 】= 1 2 4 3m p a e = 2 0 0 0 1 1 0 4m p a 口= 1 2 2 0 9 m m o c 2 计算由内压力产生的环向应力q 根据公式( 1 ) 可得出c r , = 1 7 2 5 m p a 3 计算内压和温升产生的总轴向应力q 根据公式( 4 ) ，可得出吒= 5 1 7 5 2 4 4 ( 打一t 2 ) 4 根据试算方法，进行应力验算 取n t z = 4 8 。c ，则a 一1 1 2 8 7 5 m p a a d 4 = 1 2 2 4 m p a 1 2 4 3 m p a 所以能满足管道应力要求，不会造成管道破坏。 通过以上分析可知，当管道的最高温度与安装温度之差( f ，t z ) 值小于由管 材的应力条件所限制最高允许温差a k 值，则管道材料就不会进入塑性状态， 可采用无补偿直埋敷设方式。 热水管道直埋敷设研究 第3 l 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 4 2 土壤对管道的约束力分析 在通常埋设深度( 管顶覆土在1 5 m 以内) 条件下，假设土壤作用在管道的 垂直压力与侧压力相同，单位长度摩擦力可按下式计算： 野= 即+ ( 争砌 ( 6 ) 式中：疗每米长土壤与保护外壳之间的摩擦力，2 v m ； p 菅道周围土壤密度，酶m 3 ； g 一重力加速度，m s 2 ； 日菅顶埋深，m ； d - 保护外壳的直径，m ； 一土壤与保护外壳之间的摩擦系数。 土壤与保护外壳之间的摩擦系数j 值的大小，取决于保护外壳的材质，周 围土壤或回填砂型以及填土的密实程度等诸多因素。需要指出：在土壤未将管道 完全嵌固条件下，j 值在供热管道运行过程中，会在较大范围内变化。开始运行 时，值为最大。，随着管道热胀冷缩而往复移动，值逐渐减小，并趋于稳 定，最终达到最小值直埋敷设供热管道多采用聚氨酯为保温材料，高密度 聚乙烯为保护外壳，四周填砂时，摩擦系数j 值范围为0 2 0 6 。 o 热水管道直埋敷设研究 第3 2 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 4 3 无补偿直埋管线在土壤中的受力情况分析 以图3 所示的管线为例，在离自由端0 点l 远处，土壤与管道外壳产生的总 摩擦力，可按下式计算： = p k 前曾述及，管道在完全嵌固条件下，由温升和内压引起总轴向应力为吒，如 果己值小于轴向压应力巳值，管道不能完全嵌固，管道向自由端伸长，热胀力 得以释放，从而使土壤对管道产生轴向水平推力匕。 当l 为某一长度l m 时，p 卅+ 忍= 仃，即岛+ 忍= ( a e a t 一盯，) ，时，以后 的管段完全嵌固，其任一截面上的最大轴向力为： m “= ( a e a t 一盯，) ， 根据弹性分析法的基本原理，“不得超过“。，。不得超过其极限值 e a t 一盯，) f 4 4 无补偿直埋敷设在工程上的应用方法 当管道的最高温度与安装温度之差( 如一如) s k 时，可以采用无补偿直埋 敷设方式；而当( 打一如) 高于k 时，可以通过采用预应力的方法，实现无补 偿直埋敷设。预应力法有两种方式：在管线上设置“一次性补偿器”和分段预热。 1 “一次性补偿器”法，是在直线管段上设置一种特殊的补偿器( 一次性补 偿器) 它的结构与波纹管补偿器相似，只是在波纹管补偿器外面增加了一个随 其一起活动的钢外套。 在供热管道开始运行时，先将管线预热到某一温度f ，使管道的最高温度与预 热水管道直埋敷设研究第3 3 页共5 9 页 西北大学工程硕士论文 热温度之差( h - 厶) s 。值在达到预热温度厶时，将一次性补偿器的钢外套 与管道四周焊牢。当管道降温后，管道不能收缩，而产生一个拉应力。只要在运 行期间，保证预热温度与管线的最低温度之差( b - 加) 5 f 。，管线就不会出 现拉伸屈服状态；而当管道升温到最高温度n 时，也不会出现压缩屈服状态。由 于该补偿器只在预热安装时一次性起作用，故称“一次性补偿器”法。管道在整个 运行期间，无需进行补偿，即能满足要求。 2