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：△z=£E=aEAt（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：［z］=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，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°C。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130C时，管道端点将移动0120。2、在管道冷却至敷设温度10C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110C时，管道自由端将移动。=（1/2）0120，返回首次加热的位置。对于循环温度10C-130C-70C-10C-60C-130C，相对于10C的初始位置，管道的位移见下表。在位移为0=6120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6=±(1/4)6120。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6按下式计算6=a(Tm—Ti)Lpr(4)式：Ti——预热管段初始应力为零时的管道温度(°C)；Lpr预热管段长度(m)管道被加热到预热温度时覆土后再冷却，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=130C，T2=10C，则Tm==70C。对于循环温度10C-70C-10C-70C-130C，相对于70C的初始位置，管道位移如下表所示：对于预热(从过程1到过程2)后的所有最大温度循环过程，位移都为6=±660=±(1/4)6120，其中，6120为冷安装时的最大位移(见图5)。锚固段管道的最大压应力与最大温度变化之半成正比：△z=±aE因此，与冷安装相比，管壁局部屈曲的危险性降低了，有利于大口径高温水管道直埋敷设。3.3采用一次性补偿器覆土后预热这种方法是在管道的直段部分，按计算的间距分段安装一次性补偿器，并仅在补偿器附近的沟槽处敞口，其余沟槽回填。一次性补偿器的补偿量在预热前调整为设计值，当管道首次加热使补偿器的伸长量到位后将一次性补偿器焊接为整体，管道的热胀变形得到了提前释放，在此以后，管道就相当于前面所介绍的预热系统。覆土后预热的管段初运行时，工作循环最高温度下压应力和工作循环最低温度下的拉应力按下式计算:1、一次性补偿器处：压应力6c1=Ea(T1—Tdp)(5)拉应力6d1=Ea(Tdb—T2)(6)2、管段与一次性补偿器相对应的另一端：压应力6c2=Ea[T1—Tdp]+FLc/A(7)拉应力6d2=Ea(Tdp—T2)—FLc/A(8)3、管段内应力均布后，最大压应力和最大拉应力应按下列公式计算：最大压应力6c.max=Ea[T1—Tm)](9)最大拉应力6d.max=Ea[Tm—T2)](10)式中：Tdp——计算管段的预热温度(C)Tdp=Tm+X10—6(11)Lc——一次性补偿器到固定点或驻点的距离，即管道的分段长度：LcWX10—6(12)Tp.max最高预热温度(C)，Tp.max应取小于或等于T1；F——预热段土壤对管道的摩擦力(N/m)由于土壤摩擦力的作用，在两个一次性补偿器之间的局部应力，将高于补偿器处的应力，然而，由于系统温度的变化，在多次变化以后，应力将均匀一致。如图6所示。与冷安装相比，在最大温度循环过程中，管道的应力水平下降接近一半，因此管壁屈曲的危险性降低了；与敞开式预热相比，两者的效果是一致的，不同之处是一次性补偿器安装技术避免了敞口预热对周围环境的不利影响，不需要临时热源，但增加了补偿器的费用。3.4采用补偿弯管或补偿器如果要求轴向应力值低于敞开式预热或一次性补偿器所形成的应力值，或者没有条件采用上述方法控制轴向应力，那么，可以在管道上采用补偿弯管（如图7所示），或者采用补偿器（如图8所示）。如果采用L型弯管、Z型弯管或U型弯管作为补偿装置，使管道长度增加，也增加了建设费用、热损失和水泵电耗，且有时候因占地大而无法实施，这对于大口径管尤为突出。因此除管道定线形成的自然走向外，应尽可能的采用补偿器。如果采用补偿器，两补偿器中间点（即驻点）到两补偿器之间的管道的摩擦力理论上大小相等，可以利用驻点自平衡采用有补偿无次固定支墩设计（如图9所示），但由于摩擦力实际上的不均匀性，推荐采用具有强力限位装置的补偿器，防止补偿器受到管道单侧不均匀膨胀变形而损坏。此外，也可在两补偿器之间设次固定支墩来保护补偿器（如图10所示），但施工难度和基建费用要相应增加。管道系统安装补偿装置时，由于管道热胀变形在热态运行中得到了释放，避免了部分管线被完全锚固，因此，管道中的压应力保持在较低水平上，管壁局部屈曲的危险性最小。4直埋管道温度应力控制方法的综合比较上述各种温度应力控制方法的优缺点综合比较如下：5结论本文通过对影响直埋管道温度应力的因素分析，对控制温度应力、降低管壁局部屈曲危险性的方法进行了综合分析比较。本文认为，对大口径高温水管道，应积极地采用冷安装方式。如果不能满足冷安装的条件，则应采用敞开式预热或一次性补偿器覆土预热。对于敷设在郊外允许较长时间敞沟且临时热源比较方便时，应优先选用敞开式预热。对城市街道中心的管道，采用一次性补偿器是合适的。有补偿敷设增加了额外的补偿器和固定墩的费用，且管网维护工作量大，只有在安装条件不具备或对管道安全有特殊要求时才采用。参考文献中华人民共和国