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循环水压力钢管结构优化设计 耿树青，管永庆 （东北电力设计院 长春 130021）【摘要】针对目前火(核)电厂地下循环水加刚性环压力钢管结构设计的特点，提出了地下循环水加刚性环压力钢管结构优化设计的新方法，建立了地下循环水加刚性环压力钢管优化设计的数学模型，并结合工程实例，对火(核)电厂循环水加刚性环压力钢管优化设计，技术可靠，刚性环优先选用顺序为L型钢、T型钢、竖向槽钢、水平槽钢。【关键词】地下钢管 火(核)电厂 刚性环 优化设计0 前言火（核）电厂加刚性环循环水钢管与单纯增加管壁厚度相比具有节省钢材的优点，因而在大型火（核）电厂地下埋管工程应用十分广泛。通过调研统计，目前各电力院设计的火（核）电厂循环水钢管刚性环均采用水平布置的槽钢，刚性环型号及其间距在满足弹性稳定、刚度、强度要求的条件下，均追求型钢号码最小、间距最小（250cm）的方案。小型刚性环，易于弯转成型，但布置间距小，导致刚性环数量增多、焊缝增加、防腐较难，同时对投资影响重视不足。随着火（核）电机组容量增大，1000MW级以上电厂循环水钢管，管径达到DN3600等级以上。如仍然采用型钢号码最小、间距最小的水平布置的槽钢刚性环结构设计，这类问题就更加突出。为了解决上述问题, 本文采用一种新的 “经济环经济间距”优化设计方法，针对水平布置的槽钢、竖向布置的槽钢、T型钢、L型钢几种类型的刚性环进行选择。1 优化模型1.1 优化设计结构模型以L型钢、T型钢、竖向布置的槽钢、水平布置的槽钢为刚性环的压力钢管结构优化设计模型见图1。图1 优化设计结构模型1.2 目标函数加刚性环压力钢管结构优化设计目标是：在保证压力钢管整体及局部稳定、刚度、强度与施工等技术要求均满足的前提下，通过优化钢管壁厚、刚性环的截面特性、间距，使加刚性环的压力钢管的初投资最少。计算公式为： Min P=（7.85 D L1 1+N Gh）s (1)式中：P为计算管段钢管及刚性环初期投资，元；D、L1为钢管结构平均直径与长度，cm；1为管壁结构厚度，cm；s为每吨钢管及刚性环总造价（包括材料、制作、运输、安装、防腐等费用），可按s=s1(1+) 计，s1为钢管及刚性环材料价格，元/kg；为除材料费以外其他费用与材料费的比值，可根据类似已建工程资料选取；N为刚性环的数量；Gh为单个刚性环的重量，kg。1.3 结构稳定约束条件加刚性环压力钢管稳定包括管壁的外压稳定和刚性环的局部稳定。根据文献1,3，地下压力钢管稳定计算应符合下式：k=pkppk2.5 (2) pk=pvk + prk+pzk (3)无刚性环时管壁计算：pkp=2En2-131-2(Dp)3+E0n2-11+0 (4)有刚性环时管壁计算：pkp=2En2-131-2(Dp)3+E0n2-11+0 (5) =1+2n2-1.3X+31-2DPX2 (6) X=n2-11+2nLDp2 (7)刚性环稳定计算：pkp=24EJKDK3L (8) 上述式中：k为稳定安全系数；pkp为管壁或刚性环的临界压力，kg/cm2； pk、pvk分别为管道总的外压力、垂直土压力设计值，kg/cm2；prk、pzk分别为车辆移动荷载或地面活荷载设计值、管内真空压力设计值，kg/cm2；E、E0分别为钢材的弹性模量、回填土未经扰动时的压缩模量，kg/cm2；、0分别为钢材、土壤的泊松比；n为管壁皱曲波数; 为折减系数；DP、DK分别为管道计算直径、通过刚性环与管壁组合截面重心的圆周直径，cm；为管壁计算厚度，cm；L为刚性环间距，cm；JK为包括刚性环管壁有效长度组合截面的惯性矩，cm4。1.4 结构刚度约束条件管壁刚度复核时的允许变形值应符合下式：=KApvk-pHk6C1+KA90.02Dp (9)KA=CDp41-216EJ (10)C=2E0(1+0)Dp (11)式中：为允许变形值，cm；J为管壁的惯性距，cm4。当计算刚性环的刚度时，需要将Dp 改成Dk，J改成Jk。1.5 结构强度约束条件受力最大截面的强度 (kg/cm2)应符合下式： =2+X2-X (12)式中： 、x分别为管壁纵截面的总圆周强度、管壁横截面的总轴向强度，kg/cm2；为刚材强度设计值（许用应力），kg/cm2。1.6 结构几何约束条件考虑加刚性环的压力钢管制造、运输、施工等技术要求，应对设计变量进行几何约束：管壁厚度、刚性环的间距L、型钢的尺寸均为离散变量，均为等间距0.1c m的倍数。合理的刚性环间距宜满足如下条件：应用公式算得的管壁、刚性环的稳定安全系数、刚度、强度在允许的范围内；由刚性环稳定性公式求得的刚性环的型钢号码不宜过大，使工地对型钢弯转成型方便。火(核)（核）电厂循环水钢管内径一般为1600mm3800mm，内水压力小于0.3MPa，管节长一般3.6m6.0m，刚性环不少于2个。常用的浅覆土低压钢管，其L/D=0.52.5，1000mm L5000mm。2 算例分析某发电厂二期2x600MW扩建工程，每台机组循环水进、排水管各设一条主管为D302012的钢管，单机全长500m。管顶覆土深度为2.5m。每根通过 Q16.6 m3/s时，管内水工作压力为0.25MPa。钢管与刚性环采用相同的钢材Q235。2.1 优化设计方案组成各种型钢对应的刚性环编号见下表1：表1 刚性环编号与槽钢号码对照 刚性环编号M12345678910L型钢9/5.669/5.6810/6.3811/7610/6.31011/7812.5/8812.5/81014/91016/1012T型钢TW75150TN100100TM97150TN125125TN150150TW87.5175TN175175TN200200TN225200TN250200竖向槽钢8101214a14b16a1618a1820a水平槽钢16a1618a182022a2225a28a32a2.2 优化设计投资曲线根据本文建立的优化目标函数，开发了刚性环压力钢管结构设计优化程序。依据算例、表1各组型钢参数，利用该软件计算、绘制了钢管及刚性环的投资曲线，分别见图2图5。随着刚性环间距的加大，刚性环型号也变大，但投资并非同步加大或降低。图2表明M=7既刚性环为L12.5/88的方案初投资最低；图3表明M=4即T型钢型号为TN125x125方案初投资最低；图4表明M=4即竖向槽钢型号为14a方案初投资最低；图5表明M=8即水平槽钢型号为25a方案初投资最低。图2 L型钢投资曲线图3 T型钢投资曲线图4 竖向槽钢投资曲线图5 水平槽钢投资曲线2.3 优化设计方案与原设计方案对比分析根据以上优化设计投资曲线选取的初投资最小的方案技术、经济对比结果见表2。表2 加刚性环的压力钢管优化前后对比分析设计方案水平槽钢优化竖向槽钢优化T型钢优化L型钢优化钢管 D302012D302012 D302012 D302012钢管直管长度 （m）1000100010001000刚性环型号25a14aTN12512512.5/88刚性环间距L(cm)463488483474管壁稳定系数2.562.512.512.54刚性环稳定系数2.503.012.862.50管壁刚度系数(=/Dp) (%)0.90.90.90.9刚性环刚度系数(=/Dk) (%)0.20.10.10.1非刚性环处管壁最大应力（kg/cm2）基本荷载组合884.7884.7884.7884.7附加荷载组合1039.11039.11039.11039.1刚性环处管壁最大应力（kg/cm2）基本荷载组合1285.41261.21298.11273.8附加荷载组合1718.31698.51736.31709.8刚性环钢材量NGh(kg)57678295442964626149节省钢材量（%）0-48.8-48.6-54.7节省投资P（万元）0-26.7-26.6-29.8优化方案排序4231各方案管壁、刚性环的稳定安全系数均接近或稍高于2.5，优化后结果基本使结构的抗失稳能力得到充分发挥，节省了钢材。管壁的刚度系数不受刚性环大小、间距布置的影响。刚性环的刚度系数，槽钢水平布置的方案较高，其他方案相同。非刚性环处管壁的强度不随刚性环间距改变而变。刚性环处的管壁强度，比较接近；以L型钢的方案强度最小，T型钢的强度最大，其他类型居中。三种型钢四种设计方案经济计算结果表明，节省初投资优先排序为L型钢、竖向槽钢、T型钢、水平槽钢。需要说明的是，由于各组合方案，管道直径及壁厚相同，投资计算中均只计算刚性环投资差异部分。DN3000钢管规定最小壁厚为11mm，但由于工程上壁厚选择12mm较常见，优化设计采用壁厚12mm，但这并不影响结果的规律性。刚性环优化后，刚性环数量减少，焊接和防腐等安装工作量均较少，加快施工进度。3 结论3.1 通过对采用L型钢、T型、水平及竖向布置的槽钢为刚性环组合方案的综合研究，建议今后循环水钢管刚性环设计优先选用顺序为L型钢、竖向槽钢、T型钢、水平槽钢。3.2 本文提出的优化方法，适用于火（核）电厂采用填埋土法施工的地下直埋加刚性环循环水钢管的结构设