（机械电子工程专业论文）塌陷区供热管道敷设相关技术研究.pdf

摘要 摘要 目前，我国有大面积的煤矿塌陷区，特别塌陷过程中的塌陷区，很多已经 敷设了各种管道，也有很多地方需要架空或直埋敷设各种管道。已经敷设的管 道存在安全隐患，需要敷设而未敷设的管道找不到正确的设计计算方法或施工、 运行技术措施。保证煤矿塌陷区敷设供热管道安全可靠性的设计规范、技术规 程、可靠的设计计算方法或技术措施等，尚属于空白。事实表明，对于相对温 度和压力较高的供热管道，如果没有可靠的设计计算方法和技术措施，塌陷区 供热管道运行将存在很大的安全隐患。 论文针对在塌陷区进行供热管道敷设的部分关键相关技术展开研究。基于有 限元方法，对塌陷引起塌陷断裂带地面沉降落差为某一深度时架空管道支架间 距进行分析，给出了应力最小的支架问距。完成了无补偿直埋供热管道应力计 算理论探讨，通过理论分析和对比，提出在无补偿直埋供热管道设计中慎重采 用安定性理论的必要性；完成了蒸汽管道暖管过程管道对固定支座的冲击分析， 应用理论力学中动力学理论分析了冲击力产生的原因，推导出理论公式。提出 弹性固定支座的设计理论，给出了在暖管过程中能保证固定支座安全可靠的弹 性系数计算式；基于有限元分析方法，完成了对钢套钢直埋蒸汽管道外护管最 小壁厚进行计算和优化。 本课题的意义在于对供热管道满足塌陷区架空敷设和直埋敷设两种敷设方 法的做相应研究，研究结果可以为塌陷区敷设供热管道、煤气管道、输油管道、 输水管道等，提供理论指导，推动国内在塌陷区、湿馅性地区、地震断裂带等 敷设各种管道敷设技术水平的提高。 关键词：塌陷区；供热管道；敷设技术：有限元分析 论文类型：应用基础研究 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t , o u rc o u n t r yh a sl a r g ec o a ls u b s i d e da r e a , e s p e c i a l l yi nt h ep r o c e s s o fc o l l a p s e ，t h e r ea r em a n ys u b s i d e dv a r i o u sp i p el a y i n gi ni ta n dt h e r ea r eal o to f p l a c e sr a i s i n go rd i r e c t l yb u r y i n gv a r i o u sp i p e l i n e t h el a i dp i p e sh a v eu n s a f er i s ka n d i tc o u l d n t f i n d t h ec o r r e c td e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o do rt h ec o n s t r u c t i o na n d o p e r a t i o no ft e c h n i c a lm e a s u r e sf o rt h eu n - l a i dp i p e l i n e i t sab l a n kf o re n s u r i n gc o a l s u b s i d e dl a y i n g h e a t - s u p p l yp i p e l i n es e c u r i t yr e l i a b i l i t yd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s ， t e c h n i c a lp r o c e d u r e s ，r e l i a b l ed e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt e c h n i c a lm e a s u r e s t h e f a c t ss h o wt h a tf o rr e l a t i v e l yh i 曲t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eh e a t s u p p l yp i p e l i n e ，i f t h e r ei sn or e l i a b l ed e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o d sa n dt e c h n i c a lm e a s u r e s ，s u b s i d e d h e a t s u p p l yp i p e l i n em a y h a v eal o to f p o t e n t i a ls a f e t yp r o b l e m s t h ek e yt e c h n i c a lp a r to fh c a t i n gp i p el y i n gi ns u b s i d e dz o n ei ss t u d i e d b a s e d o nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，p i p es u p p o r t i n gs p a c i n gw i n lt h ed i f f e r e n c eo ft h e c o l l a p s eg r o u n dt ob es o m ed e p t hi sa n a l y z e dt oc o m p u t et h eb r a c k e ts p a c eo ft h em i n s t r e s s 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo fc o m p e n s a t i o nb u r i e dh e a t i n gp i p es t r e s sc a l c u l a t i o nt h e o r y d i s c u s s i o ni sc o m p l e t e d ；t h r o u g ht h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ， f o r u n - c o m p e n s a t i o nb u r i e dh e a t i n gp i p i n gd e s i g nt h en e c e s s i t yo fu s i n gs t a b i l i t yt h e o r y c a r e f u l l yi sp u tf o r w a r d t h ei m p a c ta n a l y s i so fs t e a mp i p ew a r mt u b ep r o c e s si m p a c t f o rf i x e dp i p ei sc o m p l e t e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o no ft h e o r e t i c a lm e c h a n i c si nd y n a m i c s t h e o r yi su s e dt oa n a l y z et h ei m p a c to ft h ec a u s ea n dt h e o r e t i c a lf o r m u l ai sd e d u c e d t h et h e o r yo fe l a s t i cf i x e ds u p p o r tt h e o r yi sd e v e l o p e d ，a n dc o e f f i c i e n tc a l c u l a t i o n f o r m u l ao ft h ed e s i g ni nw a r mt u b ed u r i n gg u a r a n t e ef i x e ds u p p o r t st ob es a f e ， r e l i a b l ea n de l a s t i ci sp r e s e n t e d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ，t h es t e e l s e to fs t e e ld i r e c t l yb u r i e ds t e a mp i p e l i n eo u t s i d ep r o t e c t i o np i p em i nw a l lt h i c k n e s s i sc a l c u l a t e da n do p t i m i z e d t h eh e a t - s u p p l y p i p e l i n el a y i n ga n d i n s t a l l a t i o ns t u d yi st h ef o c u so ft h i sp a p e r i i o v e r h e a ds u b s i d e d d i r e c t l y b u r i e d t h ed a t e sc a nb eu s e df o rs u b s i d e d a b s t r a c t l a y i n gh e a t - s u p p l yp i p e l i n e ，g a sp i p e ，o i lp i p e l i n e s ，w a t e rp i p e s ，e t c , a n di ta l s o p r o v i d e st h e o r e t i c a lg u i d a n c ea n dp r o m o t e sa l lp i p el a y i n gt e c h n o l o g yl e v e l sf o r d o m e s t i cs u b s i d e d ，w e tf i l l i n gs e x u a la r e a , e a r t h q u a k ef a u l tz o n e s k e yw o r d s ：s u b s i d e n c e a r e a ；h e a t - s u p p l yp i p e l i n e ；l a y i n gt e c h n o l o g y ；f i n i t e m e t h o da n a l y s i s t y p e o ft h e s i s ：p r a c t i c a lf o u n d a t i o nr e s e a r c h i i i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着国民经济快速增长和国家财力日益增强，人民生活水平在不断地提高， 随之而来的是人们对高水平生活质量的要求不断增强。目前，我国冬季供暖的 范围在不断逐渐扩大，在扩大供暖范围的同时，我国的供热系统的规模也在逐 渐扩大，供暖技术也在不断的发展。供热管道是供热系统的重要组成部分，就 其道敷设方式而言，目前主要存在以下三种敷设方式，即：架空敷设方式、地 沟敷设方式以及直埋敷设方式。架空敷设方式按高度可分为高( h 4 m ) 、中 ( h = 2 m ) 、低( h ；0 3 1 o m ) 三种支架架空敷设形式；地沟敷设方式主要有通 行地沟敷设、半通行地沟敷设和不通行地沟敷设这三种敷设方式；而直埋敷设 方式就是把供热管道经过一定的处理再后把其埋入地下。 供热管道的敷设方式的确定需要综合考虑在地区的气象、水文地质、地形 地貌、建筑物及交通线的密集程度，并考虑到技术经济合理、维修管理方便等 因素【1 】。对于架空敷设方式，管道易于敷设，维修方便，但因其架空的管道外露， 因此有较大的散热量不够经济并且影响城市的美观：地沟敷设供热管道初投资 较大，在敷设完毕使用中地沟容易积水，使管道容易被淹泡，不便于管道的维 护和管理。直埋敷设供热管道方式具有施工工程量小、施工工期短、总体投资 省、节能、占地少并且防水性好的特点。直埋敷设供热管道的技术从6 0 年代苏 联和北欧国家着手研究并在7 0 年代推广使用，我国从7 0 年代末从瑞典、丹麦等 国引进。随着我国对城镇规划的不断完善、追求低碳节能和建设节约型社会的 要求，供热管道的敷设方式越来越倾向于直埋敷设，近年来直埋蒸汽管道在我 国城镇集中供热管网中已得到大量应用。 1 2 直埋蒸汽管道的结构分类 直埋蒸汽管道可以按照外护管材料、保温结构和滑动结构来进行分类。 ( 1 ) 按外护管材料分类【2 - 3 】 按照外护管的材料不同直埋蒸汽管道可以分为复合套管、玻璃钢外护管和 钢套管。 1 绪论 复合管套主要是采用高密度聚乙烯为主要的应用材料，但高密度乙烯的耐 温能力较小，当局部热流外泄时，很容易造成外护管蠕变而破坏。随着供暖技术 的不断发展，所输送蒸汽的温度逐渐升高，采用复合管套的危险性也不断升高。 所以，复合管套不适用直埋蒸汽管道的外护管已成为共识。玻璃钢外护材料的 耐温能力小，质量难以保证，在运输和安装过程中极易出现局部的开裂和破坏， 且在遇到热流外泄时，也不能保证安全。因此，玻璃钢不太适合作为外护管的材 料【2 j 。钢套钢就是用钢质材料作为蒸汽管道的外护管，钢套管强度高，防水密封 性能可靠，能有效地抵挡外部的压力和减缓蒸汽管道的腐蚀速率，对工作管道 起到较好的保护作用。目前，国外基本是采用钢套钢结构，钢套钢结构以其独 特的优势，在我国已广泛使用，特别是在南方地下水位高的地区。 ( 2 ) 按保温结构分类 按照保温结构不同直埋蒸汽管道可以分为无机有机复合保温型+ 防腐、单纯 无机保温型+ 防腐和无机有机复合保温+ 复合防腐这三类【2 】。 ( 3 ) 按滑动结构分类 按照滑动结构不同直埋蒸汽管道可以分为内滑动型和外滑动型。内滑动型 管道其工作钢管与保温材料之间通过减阻层进行滑动，外滑动型管道工作钢管 和保温材料结为一体，通过工作钢管与外套钢管之间的滑动支架( 托) 进行滑动 【2 】 0 滑动结构一般应用在钢套钢外护管结构中。由于在供热系统运行的时，工 作管道中的蒸汽温度极高，而钢外护管的温度大概在4 0 度左右，这样两者的温 度相差极大。外护钢管受到外部的阻力( 一般为与外护钢管接触的泥土所施加 的摩擦力) 巨大，如果内外管为一体的话，就会产生较大的内应力，带有极大 破坏性。采用滑动结构可以使工作管道在外护管内滑动，这样就基本消除内应 力，增加了安全系数【3 】。 目前，以上两种滑动结构在国内都有在采用，具体要根据不同的施工坏境 和工程要求等情况而定。 1 3 塌陷区敷设供热管道的研究现状 在供热管道的架空敷设相关技术方面国内展开的相应的研究包括：中国石 油大学( 北京) 张对红【4 】等人针对原先热力架空管道的计算没有考虑到位移的非 2 1 绪论 线性因素、不能正确地反映管道和支座的实际受力情况，结合热力架空管道和 支座的受力情况，给出了力学的计算模型，对作用在热力架空管道的载荷进行 了分析，结合有限元法和变弹簧系数迭代法，用有限元迭代法计算出了管道 的位移；北京市煤气热力工程设计院陶帆等人对独立式架空管道滑动支架的设 计思路、结构选型及计算模型进行了研究【5 】；石家庄东方热电燃气设计研究有限 公司徐志滨【6 】等人对架空管道中几种常见的非典型补偿器布置型式通过计算对 管道应力、固定支架和第三导向支架的受力情况进行了分析；兰州理工大学程 选生【_ 7 j 等人根据架空管道实际工作情况，建立了温度作用下架空管道的典型方程， 结合数值算例，对其进行了强度和刚度验算，并对其结果作了分析探讨；中平能化 集团供热分公司张国强【8 】等人对架空供热管道转角附近活动支架的允许间距进 行了研究，认为转角附近活动支架的允许间距与连续梁活动支架的允许间距之 间存在一个关联系数0 8 1 6 ，且认为将关联系数近似到0 8 在应用中不存在问题； 平顶山煤业集团坑口电厂殷成奇【9 】等人对多种补偿器在煤矿塌陷区架空供热管 道的可靠性进行了探讨，对适用于煤矿塌陷区架空供热管道的压力平衡式波纹 管补偿器、横向大拉杆波纹管补偿器、铰链型波纹管补偿器、球型补偿器、方 形补偿器、旋转补偿器的经济性进行了比较；平顶山热力集团供热公司王崇春【1 0 】 对架空管道安装套筒式补偿器与安装旋转式补偿器固定支架进行了受力分析， 针对补偿器的选型问题进行了探讨；广西电力工业勘察设计研究院黄旭方【l l 】等 人对自然补偿架空敷设供热管道的设计进行了初步探讨，对管道布置和支吊架 设置给出了建议；天津辰鑫石化工程设计有限公司刘镜军【1 2 】对用于架空敷设的 蒸汽和热水管道的旋转式补偿器的固定架推力计算、管道布置及设计安装的基 本要求进行了研究。 在供热管道的直埋敷设方式相关技术方面国内展开的相应的研究包括：银 川热电有限责任公司杨雪犁1 3 】等人对直埋蒸汽管道滑动结构、保温结构、外护 钢管外防腐层、固定支座、排潮管、疏水管、蒸汽管道的安装及运行等技术问 题进行了研究；沈阳惠涌供热有限责任公司翟彤彤【1 4 1 等人：对直埋蒸汽管道保温 层进水问题进行了研究，分析了直埋蒸汽管道增设排潮管的必要性，并对直埋 蒸汽管道施工过程中易出现的几个问题进行了分析、探讨，提出了解决问题的 方法；中国市政工程华北设计研究院王淮【1 5 】等人对直埋蒸汽管道的保温结构、 保温材料、外保护管、固定支座、补偿器、疏水装置等技术进行了探讨；机械 工业第四设计研究院王立平6 j 对钢套管直埋蒸汽管道地下直埋设计中的保温结 3 1 绪论 构、可靠的外防护层、应力计算和防水等方面结合工程实践进行了分析；北京 市煤气热力工程设计院肖锡发【1 7 】对直埋供热管道不等臂竖向转角管段热胀弯矩 以平均臂长采用等臂模型计算的误差及竖向转角管段视为直管强度免验的最大 折角进行了分析；山东烟台开发区热力总公司蒋玉芳【1 8 】等人对直埋蒸汽管道的 固定支架和补偿器的设计及布置、钢套钢保温设计、排潮管设计、疏水装置设 计等方面作了相关研究；辽宁省城乡建设规划设计院杜晓茹【1 9 】对在高水位环境 下进行蒸汽管直埋敷设时出现地下水对管道保温层造成损害影响正常运行的情 况，从直埋蒸汽管道的保温结构方案选择以及应采取的密封防护措施角度进行 了研究，提出了解决方案。 以上国内学者对供热管道架空敷设和直埋敷设方式所展开的研究取得了相 应的研究成果，对于提高国内供热管道的敷设技术水平起到了作用，但上述研 究均未涉及供热管道在塌陷地区的敷设，而目前，我国有大面积的煤矿塌陷区， 特别塌陷过程中的塌陷区，很多已经敷设了各种管道，也有很多地方需要架空 或直埋敷设各种管道。已经敷设的管道存在安全隐患，需要敷设而未敷设的管 道找不到正确的设计计算方法或施工、运行技术措施。保证煤矿塌陷区敷设供 热管道安全可靠性的设计规范、技术规程、可靠的设计计算方法或技术措施等， 在世界上是个空白。根据平煤集团塌陷区及我国其它一些矿区管道因地面沉降 爆裂的事实表明，对于相对温度和压力较高的供热管道，如果没有可靠的设计 计算方法和技术措施，塌陷区供热管道运行将存在很大的安全隐患。因此，展 开针对塌陷地区的供热管道敷设相关技术的研究有着非常重要的现实意义。 1 4 课题研究的内容和意义 本论文主要针对在塌陷区进行供热管道敷设的部分关键相关技术展开研 究，具体研究内容如下： ( 1 ) 基于有限元方法，对塌陷引起塌陷断裂带地面沉降落差为某一深度h 时架空管道支架间距进行分析，给出应力最小的支架间距； ( 2 ) 无补偿直埋供热管道应力计算理论探讨； ( 3 ) 蒸汽管道暖管过程管道对固定支座的冲击； ( 4 ) 基于有限元分析方法，对钢套钢直埋蒸汽管道外护管最小壁厚进行计 算和优化。 4 1 绪论 本课题的意义在于对供热管道满足塌陷区架空敷设和直埋敷设两种敷设方 法的做相应研究，为在塌陷区敷设供热管道、煤气管道、输油管道、输水管道 等提供理论指导，推动我国在塌陷区、湿馅性地区、地震断裂带等敷设各种管 道敷设技术水平的提高。对于钢套钢直埋蒸汽外护管最小壁厚计算的研究，可 以有助于提高设计人员对各种直埋管道计算最小壁厚的准确性。 5 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 2 塌陷区架空供热管道安全 可靠设计计算与有限元仿真验证 在供热管道的敷设过程中，在一定区域供热管道会由非塌陷区进入塌陷区， 或者也会由塌陷区域进入到非塌陷域区，在这样的情况下，在塌陷区断裂带的 地面会逐步或突然形成一定的落差，为确保供热管道安全可靠的敷设及其日后 使用过程中的安全可靠，对塌陷区供热管道进行安全可靠性设计非常必要。本 章以塌陷区架空供热管道的安全可靠性设计为目的，在理论分析计算供热管道 通过塌陷断裂带时的轴向应力和最大附加弯曲应力基础上，采用有限元仿真的 方法进行验证，以确保供热管道的安全可靠性设计。 2 1 有限元理论的基本思想【2 q 在有限元法中，把固体、液体或气体等真实连续介质或物体表示为一些有 限元的集合。这些单元可认为是通过一些节点相互连接。由于不知道连续介质 内部的场变量( 如：位移、应力、温度、压力、或速度) 真实的变化，因此我们假设 有限元内场变量的变化可以用一种简单的函数近似。这些近似函数可由场变量 在节点处的值来确定。当对整个连续介质写出场方程组时，新的未知量就是场 变量的结点值。一旦知道了这些结点值，则可由近似函数确定整个单元集合体 的场变量。有限元法的分析过程为： 1 弹性连续体的离散化 离散化是有限元法的基础。所谓离散化，就是假想把被分析的弹性连续体 分割成由有限个单元组成的几何体。这些单元仅仅在节点处连接，单元之间的 载荷也仅由节点传递。连续体的离散化又称为网格划分。离散而成的有限元集 合体将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个计算模型中进行。 因此，有限元分析计算的速度和结果的准确度直接受分析模型与实际工程结构 力学特性符合程度的影响。有限元离散化过程中有一重要环节是单元类型的选 择。在同一个被分析结构中，具有不同类型的部件( 如板与梁时) ，可以而且必须 应用不同类型的单元。 2 选择单元位移模式 6 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 这是单元特性分析的第一步。位移模式或位移函数，是用来模拟单元内位 移分布规律的简单函数，通常为多项式，其项数及阶数取决于单元的自由度数 和有关的收敛性要求。单元位移函数要转换成用节点位移来表示，从而决定了 相应的位移插值函数。选择合适的位移函数是有限元分析的关键，它决定了有 限元解答的性质与近似程度，其选择应遵循一定的准则。 3 单元力学特性分析 在选择单元类型和相应的位移函数后，即可按几何方程、物理方程导出单 元应变与应力的表达式。然后应用虚功原理或变分法或其他方法建立各单元的 刚度矩阵，即单元节点力与节点位移之间的关系。 4 整体分析，组建结构总刚度方程 整体分析的基础是依据所有的相邻单元在公共节点上的位移相同和每个节 点上的节点力与节点载荷保持平衡这两个原则。包括两方面内容：一是由各单 元的刚度矩阵集合成整体结构的总刚度矩阵 k ；二是将作用于各单元的等效节 点力集合成结构总的载荷矩阵( p ) 。这两项就组成了整体结构的总刚度方程： 【k x = p ) ( 2 1 ) 5 约束处理并求解总刚度方程 引进边界约束条件，修正总刚度方程，求节点位移。求解大型联立代数方 程组的方法很多，求解的时间占据了整个有限元计算时间的大部分。 6 计算单元应力并整理计算结果 根据求得的位移求出结构上所有感兴趣部件上的应力，绘出结构变形图及 各种应力分量、应力组合的等值图。把以上概念推广到其他领域，只需改动上 述六步骤中所用的术语。就可以对连续介质用有限单元法求解。 2 2a n s y s 软件简介【2 1 】 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型c a e 通用有 限元分析软件，是现今用于有限元分析和设计中最强大的通用化工具软件之一， 广泛应用于核工业、铁道、土木工程、石油化工、机械制造业、国防军工、航 空工业、汽车工业、电子工业等众工业领域及科学研究。它能解决不同领域中 的各种各样问题，除具有强有力的结构分析功能( 线性静力分析，非线性静力 分析，线性动力分析，非线性动力分析) 之外，还针对其他一些领域，如电场、 7 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 磁场、热场、流场等提供了专门的算法和分析功能。它还具有很完善的前处理、 求解和后处理功能，特别是不断扩充的单元库和材料库给用户带来了方便，在 后处理模块中，强大的图形功能也使得结果分析变得更加形象和直接。而且， a n s y s 和其他软件之间的接口，如a u t o c a d 、p r o e 等也使a n s y s 的用途 和适用范围更广泛。但它只是一个批处理程序，只能在大型计算机上运行。 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造 有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高 度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物 理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分 析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、 粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形 方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。 a n s y s 软件包括七个功能模块： ( 1 ) 图形处理模块：对图形色彩以及具体显示模式进行控制； ( 2 ) 前处理模块：主要用于模型生成或边界条件的加载； ( 3 ) 求解模块： 定义负载条件和计算分析； ( 4 ) 后处理模块：包含一般后处理与时间历程后处理，用于对结果进行进一 步的处理和分析评价； ( 5 ) 单元模型库：包含丰富的各种单元类型； ( 6 ) 用户子程序模块：允许用户自定义代码与a n s y s 连接； ( 7 ) 与其它软件接1 ：3 ：提供与其它软件之间的交流通道。 a n s y s 软件的工作平台可为w i n d o w s ( 9 8 或n t 、2 0 0 0 ) 或u n i x 系统。在 本文利用a n s y s 对整体封装及单个焊点进行了相关的热仿真、应力应变仿真以 及随机振动分析，通过其强大的后处理功能模块得到了所需要的模型的应力、 应变分布，为进一步的分析作了强有力的支持。 2 3 塌陷区架空供热管道安全可靠理论设计计算【2 2 】 对于塌陷区域，由于地质水文条件、地形地貌、建筑物及交通线的密集程 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 度等情况不同，准确预测塌陷区塌陷时间或塌陷速度有一定困难，即难以掌握 地面什么时候沉降、每次沉降多少、每年或每月沉降多少、什么时候沉降结束， 研究塌陷区敷设供热管道设计计算尤为重要，以保证架空敷设供热管道安全可 靠的运行。 由于管道由非塌陷区进入塌陷区、或由塌陷区进入非塌陷区的过程，塌陷 断裂带地面可能会逐步或突然形成落差，所以，在塌陷区供热管道敷设技术研 究中，研究塌陷断裂带地面沉降落差对管道的影响及其重要。如图2 1 所示，设 塌陷区的支架为一1 、- 2 、一3 一1 l ，非塌陷区的为支架l 、2 、3 、拧。因为 图2 - 1 供热管道进入塌陷区 支架一1 和支架1 分别位于塌陷区和非塌陷区，所以这两个相邻的支架一l 和l 将随着地面的沉降形成一定落差。设支架一1 在某一时段没的沉降深度为h 米， 以下以塌陷区沉降深度为h ( 单位：聊) 时对管道作危险性理论计算分析 2 2 1 。 图2 - 2 地面沉降深度为h 时附加力作用下的管道受力图 设支架跨距为l ( 单位：掰) 、塌陷前后管道均属于受匀布荷载的等距多跨 连续梁，如图1 所示，设支架一1 、- 2 、_ 3 的沉陷高度均为h 。当塌陷深 度与支架间距相比较小时，对于支架一1 、一2 、一3 一1 l 沉陷高度较小( h l ) 9 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 的管道，可以将塌陷后支架2 和未塌陷支架2 处管道转角仍为假设0 。由以上 假设并基于叠加原理，由于地面沉降而照成的供热管道变形而产生的附加力p 2 、 p 小p l 和附加力矩l v l 2 形成的附加力作用下管道受力图如图2 2 所示。以图2 中 所示的力或力矩的方向为正，反之为负；转角方向以顺时针方向为正，逆时针 方向为负；位移向下为正，向上为负。由莫尔定理【7 】： ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 式中厂弹性梁定点定向位移，m ； 椤弹性梁定点定向转角，r a d ； m ( x ) 外力作用下弹性梁上任意截面的弯矩，n b i g m o ( 功弹性梁定点定向处的广义单位力在梁上任意截面的弯矩，n l r l $ e 梁材料的弹性模量，n m 2 ； l ，梁的形心惯性矩，m 4 。 根据式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) ，写出支架1 、一l 、一2 等处管道的位移或转角的表 达式如下：( 2 - 4 ) z = 万1 f 阻- 2 _ ( 2 l + 功z 一( 工+ z ) p 一- + 露x = 烈1 ( 2 1m 一j 4 掣一言掣+ 三# f ) = 。 防4 ， f - i - = 土e jf 瞰一：一g + 班：一只。x 】( 哨) 出 + 古j 陋：- ( 2 工州只：也卅即丑x ( 三州k = 吉( 删+ 警蹦+ 一扣卜 同理 l o m 一 ，ij = ， 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 胁吉( 一扛p + i 3 9 咄+ i 2 8 掣一) 协6 ， 矿：= 古( 掰。一5 只：r 一2 掣+ 三墨r ) = 。 ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 6 ) 、( 2 - 7 ) 联立求解，得 p 一鱼型 - 1 5 p 一型堂 一1 3 5 l 3 p 一一型 2 8 q 1 0 5 e 肘一2 = 一面3 h e j 由式( 2 8 ) 即可以求得当塌陷区地面沉降高度为h 时，位于支架1 处供热 管道的附加弯矩最大，即： m ，= 磊1 2 h 丁e j 式中m i j 地面沉降造成支架l 处管道的附加弯矩，n 1 1 1 ； h 地面沉降深度，m ； p l 地面沉降造成支架1 对管道的附加作用力( 图2 - 2 ) ，n ； p 1 地面沉降造成支架一1 对管道的附加作用力，n ： p ：地面沉降造成支架一2 对管道的附加作用力，n ； m 2 支架一2 处管道截面上的附加弯矩( 图2 - 2 ) , ir 滑动支架跨距，m ； f l 支架1 处管道的垂直位移，m ； ，支架一i 处管道的垂直位移，m ： 2 支架一2 处管道的垂直位移，m ； o ：支架- - 2 处管道截面的转角，t a d 。 由塌陷附加弯矩产生的最大附加弯曲应力为： ( 2 - 9 ) 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 = 鲁= 等 式中o r 0 附加弯矩弯矩产生的最大附加弯曲应力，p a ： 钢管的抗弯截面模量，m a ； 呢= z ( d 面4 - 厂d 4 ) d 钥管外径，m ： d 钢管内径，m 。 塌陷前钢管按受匀布荷载的等距多跨梁计算的最大弯曲应力【2 3 】 q 一2 玩乒刁 8 a d 0 ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式中 g 管道上的匀布荷载集度，n m 。 附加弯曲应力使塌陷前最大弯曲应力仃，一增加的比例为 彳：! 址x 1 0 0 = 9 h e z ( d 4 - d 4 ) 1 0 0 ( 2 - 1 3 ) 盯，。 1 4 0 q l 4 式中兄附加弯曲应力使塌陷前最大弯曲应力增加的比例。 设需要敷设供热管道为6 3 0x 8 、q 2 3 5 材质钢管，并且带水的保温管加其 他荷载总重5 5 8 1n m ，供热管道设计压力为1 6 m p a 。若不考虑塌陷问题，按 强度条件，支架跨距可定为1 8 米。根据城市热力网设计规范【2 4 】及火力发 电厂汽水管道应力计算技术规定【2 5 1 ，由内压、自重和其他持续外载产生的轴 向应力加上由安装预应力产生的正向附加弯曲应力之和可计算如下： 害冬+ 黑+ 丽3 h e d p ， (2-14)dd3 2 2 。a ( d 4 一d 4 l 。3 5 r r 1 。二一1 鼍 式中p 管道的设计压力【2 卯，p a 安装预应力产生的正向附加弯曲应力为 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 3 h e d ( 2 1 5 ) 盯i f2 甭丁 所以内压、自重和其他持续外载产生的轴向应力之和为 当p = 1 6 m p a ，d = 6 1 4 m m ，9 = 6 3 0 m m ，q = 5 5 8 1 n m ，l = 1 8 m 时 p d 2 8 q d l 2 菏+ 3 n - ( d 4 - d 4 ) 2 = 3 0 3 + 6 2 8 = 9 3 1 m p a 1 6 率6 1 4 2 8 5 5 8 1 幸6 3 0 1 8 木1 8 0 0 0 面可十而可丽鬲r ( 2 - 1 6 ) 管道在工作状态下，由内压产生的折算应力不得大于钢材在设计温度下的 许用应力的理论值，即 。明= 旦旦生等掣 。 t 1 6 0 5 x 6 3 0 0 4 9 3 6 x ( 6 9 1 7 2 ) 0 9 ( 6 9 1 7 2 ) ( 2 1 7 ) = 1 1 3 0 1 3 胁 式中：【o 】l 钥材在设计温度下的许用应力，o 。q 广- 内压折算应力( m p a ) p 一设计压力( m p a ) ；d 旷管子外径( m m ) ；d i 管子内径( n u n ) s 一管子实测最小壁厚( i i l i n ) ，其理论值计算如下： s - = 互志+ a = 互夏i i 百夏石1 1 f 6 f 虿x 耍6 石3 0 _ 五丽+ 2 = 6 9 1 7 m m y _ 温度对计算管子壁厚公式的修正系数： y _ d i ( d i + d o ) = 6 1 4 ( 6 1 4 + 6 3 0 ) = 0 4 9 3 6 r i 许用应力的修正系数，取0 9 口考虑腐蚀、磨损和机械强度的附加厚度( n u n ) ，取a = 2 m m 从以上计算可知，由内压、自重和其他持续外荷载产生的轴向应力之和为 9 3 1 m p a ，小于计算温度下的基本许用应力，耳1 9 3 i m p b 】f = 11 3 m p ，可以 黔 ：万 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 满足应力验算要求。 钢管的弹性模量为e = 1 8 1 0 n m 2 ，此时由附加弯曲应力使得塌陷前最 大弯曲应力增加的比例为： 九3 0 = 9 5 5 h ( 2 1 8 ) 若假设由塌陷引起地面沉降0 5 m ，钢管最大弯曲应力增加4 7 7 5 ，则根据 以上计算公式，由内压、自重和其他持续外载产生的轴向应力之和加上支架沉 降产生的附加弯曲应力可达1 2 3 1 m p a ，大于计算温度下的基本许用应力 ( 1 1 3 m p a ) 。由此可见，在塌陷区由于地面沉降会对供热管道的安全运行带来破 坏性危险。 2 4 塌陷区架空供热管道安全可靠仿真验证 2 4 1 有限元分析模型 1 、供热管道有限元建模 本文研究的对象是通过煤矿塌陷区的地上支架敷设的供热管道，虽然所敷 设的管道无限长，但只研究塌陷断裂带地面沉降落差对管道的影响，建立在地 面塌陷断裂情况下等跨距支架供热管道有限元分析模型。由于地面的沉降落差 造成管道处于类似悬臂梁状态，供热管道有限元分析模型如图2 3 所示。 图2 - 3 供热管道有限元分析模型 2 、单元类型选择 在本研究中采用b e a m l8 8 单元，该单元适合于分析从细长到中等粗短的梁 结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。b e a m l8 8 是 1 4 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 三维线性( 2 节点) 或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度，每个节点 有六个自由度：节点坐标系的x 、y 、z 方向的平动和绕x 、y 、z 轴的转动。当 k e y o p t ( 1 ) = l 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度( 横截面 的翘曲) 。这个单元非常适合线性、大角度转动和并非线性大应变问题。如图2 - 4 所示。 r 1 l j 图2 - 4b e a m l 8 8 ( 3 d 、2 诲点线性单元) 单元 3 、网格划分 对于有限元分析来说，网格划分是其中关键的一个步骤，网格划分的好坏 直接影响到计算的精度和速度。网格划分可分有以下几种。 自由网格划分是自动化程度最高的网格划分技术之一，对实体模型无特殊 要求，对任何几何模型，规则的或不规则的，都可以进行网格划分，并且没有 特定的准则。所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分，自由面网格可 以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成，或者两者混合组成；自 由体网格一般限定为四面体。这种分网方法省时省力，但缺点是单元数量通常 会很大，计算效率降低。 映射网格划分要求面或体是有规则的形状，而且必须遵循一定的准则，与 自由网格相比，映射面网格只包含四边形或三角形单元，而映射体网格只包含 六面体单元。映射网格具有规则形状，单元成排规则排列。 扫略网格划分是对于由面经过拖拉、旋转、偏移等方式生成的复杂三维实 一 一，一迨m 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 体而言，可先在原始面上生成壳单元形式的面网格，然后在生成体的同时自动 形成三维实体网格；对于已经形成好了的三维复杂实体，如果其在某个方向上 的拓扑形式始终保持一致，则可用扫略网格划分功能来划分网格；这两种方式 形成的单元几乎都是六面体单元。通常，采用扫略方式形成网格是一种非常好 的方式，对于复杂几何实体，经过一些简单的切分处理，就可以自动形成规整 的六面体网格，它比映射网格划分方式具有更大的优势和灵活性。 混合网格划分即在几何模型上，根据各部位的特点，分别采用自由、映射、 扫略等多种网格划分方式，以形成综合效果尽量好的有限元模型。混合网格划 分方式要在计算精度、计算时间、建模工作量等方面进行综合考虑。通常，为 了提高计算精度和减少计算时间，应首先考虑对适合于扫略和映射网格划分的 区域先划分六面体网格：其次，对实在无法再切分而必须用四面体自由网格划 分的区域，采用带中节点的六面体单元进行自由分网( 自动退化成适合于自由划 分形式的单元) ，在该区域与已进行扫略或映射网格划分的区域的交界面上，会 自动形成金字塔过渡单元( 无中节点的六面体单元没有金字塔退化形式) 。 本文研究的对缘已经简化为3 个等跨距长度梁，为了计算的精确，将每个 b e a m l 8 8 梁单元横截面沿环形等分为2 0 份，每个跨距分为相应长度的等分，比 如跨距为1 4 米则分为1 4 个梁单元。网格划分的结果如下图2 5 和图2 6 所示。 ，州 图2 5 整体模型网格划分 1 6 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 图2 - 6 模型截面网格划分 2 4 2 边界条件 1 模型约束 确定边界条件时一项很重要的工作，它对计算结果的可信度起着至关重要 的作用。在未塌陷前，管道模型可取某一段跨距支架管道进行仿真验证，管道 受匀布荷载集度口和约束如下图2 7 。在塌陷后，位于塌陷区与未塌陷区交界处 取3 段等跨距支架管道的约束及位移载荷( 沉降高度) ，如图2 8 。 q ，山上j ，、i ，j ，上、i ，、i i ，j ，上l 上 l i ll w - , - - - i - 。- 一。一- - _ - _ 一一。! r i 图2 7 未塌陷前管道受均布载荷及约束 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 q t 图2 - 8 塌陷沉降区管道简化约束及等效位移载荷 管道仅在竖直方向与轴向上有力的作用，故约束只要在支架处给予y 方向 上的约束或者全约束。t 是在支座1 给的一个y 方向上的约束，q 是管道在塌 陷区时产生的位移载荷。管道材料的弹性模量e = 1 8 x 1 0 1 1 n m2 ，泊松比u = o 3 。 有限元模型的加载与约束分别如图2 - 9 和图2 - 1 0 。 f。、n 墨翟盂盏耋皇詈墓互翟墨露器= 墨墨露露墨盈互墨蚕耋翟匿墓器量暑霉墨军墨窑 “ o _ t _ _ - u - _ _ o 目r 日目一 劁29 有限冗模刑加拽 2 塌陷区架空供热管道安全可靠行摄计算与有限元仿真验证 2 4 3 塌陷沉降高度与管道支架的跨距对管道轴向应力影响分析 在塌陷区的等跨距支架管道在内压、自重和其他持续外载荷作用产生的轴 向应力p j l 加上沉降附加弯曲应力u 矗的总和应小于管道设计的最大许用应力 l o j 。否则管道将由于弯曲大变形而产生破坏，造成危险。 以敷设6 3 0 8 、q 2 3 5 材质钢管为例，带水的保温管加其它荷载总重 5 5 8 1n m ，管道设计压力1 6 m p a ，根据城市热力网设计规范 2 4 1 及火力 发电厂汽水管道应力计算技术规定【2 5 1 ，由内压、自重和其他持续外载荷产生 的轴向