直埋供热管道的集中供热安全分析

直埋供热管道的集中供热安全分析

在直接埋热管道的过程中，尤其是在大型口径、高温高压的水系统中，越来越多地采用预制安装。然而，从理论和实际工程的角度来看，预热温度存在一些问题。首先，管道是浪费的，采用预制安装的管道壁厚不同于冷安装的管道壁厚。其次，预测温度和系统压力与管道壁厚无关。第三，预测温度高，不仅增加了预测能力、延长预测时间和增加预制成本，而且严重影响了管道的拉张能力。在冷运行中，管道牵引压力大大超过了压力，这严重危害了管道牵引压力。最后，预测温量和加热压力不考虑在实际施工过程中可能存在的纵向弯曲效应等因素的影响。在报纸的实验中，我们研究了上述问题。1为确保加热温度范围为1.1确定热水预处理压力考虑压力、管径的影响,预热管道在初次降温时的最大拉应力:σ2=νσt⋅2-αE(Τ2-Τy)(1)σ2=νσt⋅2−αE(T2−Ty)(1)式中:σ2为钢管最大拉应力,MPa;υ为钢材泊松系数;σt·2为钢材冷水试运行压力引起的环向应力,文献要求,冷水试运行压力应达到工作压力,MPa;α为钢材的线性膨胀系数,m/(m·℃);E为直埋保温管钢管的弹性模量,MPa;T2为直埋保温管工作循环最低温度,℃;Ty为直埋保温管的预热温度,℃.为保证管道拉伸时不会屈服,则:σ2≤σs(2)σ2≤σs(2)式中:σs为钢管的屈服极限,MPa;其余符号同上.由公式(!)和(2)可得:Τy≤Τ2+σs-νσt⋅2αE(3)Ty≤T2+σs−νσt⋅2αE(3)在不考虑其它拉应力条件下,由公式(3)可得理想的预热上限温度:Τy,max=Τ2+σs-νσt⋅2αE(4)Ty,max=T2+σs−νσt⋅2αE(4)1.2管道局部屈曲的许用轴向临界压应力管道受压缩、弯矩等载荷作用时,其截面的全部或部分受到压应力,当最大压应变达到一个临界水平时便会发生局部屈曲.特别是对大口径、高温、高压直埋管道,局部屈曲是受压时最主要的失效方式.随着压力的增加,屈曲继续发展,局部产生较大的变形,导致管道的局部褶皱.(JB4732-1995)《钢制压力容器——分析设计标准》,根据经典的弹性稳定理论,提出直埋管道局部屈曲的许用轴向临界压应力为:σcr=0.0625⋅EδR0(5)σcr=0.0625⋅EδR0(5)式中:σcr为直埋管道局部屈曲的许用轴向临界压应力,MPa;δ为钢管壁厚,mm;R0为钢管外半径,mm;其它符号同上.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,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.1976年Sherman提出σcr=16⋅E(δ2R0)2(6)σcr=16⋅E(δ2R0)2(6)(6)式参考了细长压杆的临界压力计算公式(欧拉公式).在欧拉公式中,细长压杆的承压能力是长细比平方的函数.Stephens等在1991年曾通过试验提出了另外一个临界屈曲应力方程见(7)式.该式是在试验数据基础上通过拟合建立的,其中临界屈曲应力和R0/δ成反比非线性关系.σcr=2.42⋅E(δ2R0)1.59(7)σcr=2.42⋅E(δ2R0)1.59(7)对公式(6)和(7)的计算结果和试验数据进行了对比,计算值都比试验值小,这表明这两个公式偏于保守.经过计算结果对比分析,公式(5)确定的局部屈曲的许用轴向临界压应力最低.出于安全性考虑,局部屈曲的许用轴向临界压应力计算公式取式(5).通过预热,提高安装温度,使得升温压应力不大于局部屈曲的许用轴向临界压应力,即:由αE(Τ1-Τy)-νσt⋅1≤σcr(8)αE(T1−Ty)−νσt⋅1≤σcr(8)式中:T1为直埋保温管工作循环最高温度,oc;σt·1为钢材内压力引起的环向应力,其余符号同上.由公式(5)和(8)可得理想条件下预热下限温度:Τy,min=Τ1-0.0625⋅EδRm-νσt⋅1αE(9)Ty,min=T1−0.0625⋅EδRm−νσt⋅1αE(9)1.3管道软基压缩沉降由公式(4)和(9)可得预热温度的理论范围为:Τ1-0.0625⋅EδRm-νσt⋅1αE≤Τy≤Τ2+σs-νσt⋅2αE(10)T1−0.0625⋅EδRm−νσt⋅1αE≤Ty≤T2+σs−νσt⋅2αE(10)实际上,预热管道还可能存在下列拉应力,这些拉应力大小难以准确预计.如:实际施工过程中,由于受地理条件限制,有些管道敷设在软土地基上,当管道软基压缩沉降时,管体上部受覆土及车辆荷载或土体侧向位移的作用而产生纵横向弯曲,导致较大的弯曲拉应力;管基土质虽然好,但是由于施工不规范,一次性补偿器工作坑两侧管段预热前就形成弯曲.在没有填实工作坑悬空管底的情况下,采用大型机械作业,覆土冲击和覆土压力等作用,以一次性补偿器为中心的弯曲就会进一步加大,形成以工作坑为中心的纵横向弯曲,可以证明这种纵横向弯曲拉应力不容忽视.悬空管段越长,这种弯曲应力就越大,其次,还有交通载荷的冲击作用造成的弯曲.在分析预热上限温度的时候也没有考虑Q235材料的特性:低碳钢在压缩时有很高的强度极限,不会发生断裂.而拉伸达到屈服极限时,最大切应力面发生滑移,当达到强度极限时管道断裂,其次,Q235的冷脆现象和低应力脆断现象等均会降低管道允许的最大拉应力.预热的下限温度同样受下列因素的影响:对于承受高轴向压应力的直管段,因壁厚偏差及屈服强度偏差,组对焊接偏差、其它几何尺寸及材料的偏差等均会导致直埋管道局部屈曲的许用临界轴应力明显下降.简言之,实际预热上限温度应该比理论值要低,和施工过程中的不确定因素有关.据工程总结和模拟计算分析,取10～20℃的安全余量为宜.同理,实际预热下限温度也要比理论下限温度高,取5～10℃方可.2最小壁厚分析从公式10可以看出,预热温度与热媒压力、管道壁厚有关.壁厚除了满足受压时不发生局部屈曲外,首先应同时满足承受内压力作用的基本要求和大口径管道径向稳定性的要求,下边就满足这2个条件的最小壁厚进行分析.2.1确定钢管壁厚的方法根据《火力发电厂汽水管道设计技术规定DLGJ23——81》规定,对于承受内压力的汽水管道,管子理论计算壁厚应按下列规定计算:δ1=ΡDw200[σ]tjη+Ρ(11)δ1=PDw200[σ]tjη+P(11)式中:δ1为管子理论计算壁厚,mm;P为设计压力,kgf/cm2;Dw为钢管外径,mm;[σ]tj为钢材在设计温度下的基本许用应力,MPa;η为基本许用应力修正系数,η值按文献取用.其余符号同上.管子取用壁厚和理论计算壁厚,应按下列方法确定:δ=δ1+c(12)式中δ为管子取用壁厚,mm;c为管子壁厚负偏差的附加值,mm,c值按文献取用;其余符号同上.2.2钢管变形量的确定根据输油和输气管道工程设计规范(GB50253——2003和GB50251——2003),对直埋管道椭圆变形的理论研究表明:由于柔性敷设的管道能够利用其周围土壤的承载能力,当变形达到钢管外直径的20%时,才发生整体结构破坏.但试验表明,当变形达到钢管外直径的5%时,管壁开始出现屈服.为保证管道安全,规范规定管道的椭圆变形量应小于钢管外径的3%.管道的椭圆变形量推荐采用依阿华公式计算:ΔX≤0.03D0(13)ΔX=JΚWr3EΙ+0.061Esr3(14)Ι=δ312(15)式中:ΔX为钢管水平方向最大变形量,m;D0为钢管外直径,m;J为钢管变形滞后系数,宜取1.5;K为基床系数,按文献取值;W为单位管长上总垂直荷载,包括管顶垂直土荷载和地面车辆传递到钢管上的荷载,MN/m;r为钢管平均半径,m;I为单位长度管壁截面的惯性矩,m4/m;Es为回填土的变形模量MPa,按文献取值;其余符号同上.2.2预热温度的安全分析管壁的最小厚度要同时满足内压和径向稳定性条件且能使预热温度存在较大的安全范围.在安全预热温度范围内,既不会发生升温压应力使管壁局部屈曲,也不会产生初次降温后拉断管道、撕裂补偿器等严重事故.计算框图如图13最大壁厚的确定在设计压力分别为2.5MPa,1.6MPa,1.0MPa下,计算确定满足预热安装直埋管道安全性要求的最小管道壁厚,以及对应最小壁厚的理想最高预热温度和最低预热温.DN600-DN1200的计算结果见图2～图3,图中数字是对应管径的管壁厚度.表1为满足安全性要求的最小壁厚和目前工程常用壁厚的对照表.从图2和图3可知,设计压力和壁厚对预热下限温度的影响较预热上限温度大.从图2可知,相同公称直径的管道,设计压力越小,壁厚越薄.从图2,比较1.6MPa、1.0MPa曲线可知,相同规格的管道,设计压力越小,预热上限温度越高,下限温度越低.从图3可知,公称直径和内压力相同的管道,随管壁厚度的增加,预热上限温度升高,下限温度降低,预热温度范围变大,预热平均温度降低.说明壁厚加大,满足安全性的储备加大,换言之,是以增加壁厚获得降低预热温度的效果.目前,我国大口径预热直埋供热工程中采用的壁厚见表1,显然,既浪费了管材,也浪费了能源,还延长了预热时间.由表1可知,采用最小壁厚平均能节省钢材30%左右.4预热上限温度只按照循环中间温度来计算预热温度缺乏科学性.预热温度应综合考虑各种影响因素:热媒温度,热媒压力、管道壁厚、管基性质、施工质量、管材特性等.只有同时满足了各种安全条件要求,大口径供热管道预热安装才是安全的、可靠的.增大壁厚虽然可以提高预热上限温度,但提高的并不多.这说明增大壁厚解决降温断裂并不经济有效.因此,虽然工程采用管壁厚度比本文最小壁