第七章-直埋管道.ppt

1、1,一、无补偿直埋管道简介,优点：施工快、造价低（尤其对小管）、占地少、寿命长 局限：高温,2,构造,内管（钢）保温层外壳，工厂预制 聚氨酯泡沫塑料 6080kg/m3，抗压强度200kPa；导热系数 0.027W/m.k；吸水性0.3kg/m2 外壳 高密度聚乙烯硬塑料： 960kg/m3，线胀系数=210-4m/m（黄色外壳30年、黑色50年） 玻璃钢1.82.0t/m3,3,构造,4,普通保温直埋管,工作温度 130 内管 DN40400，保温层厚度40140mm，单位散热损失 58130Wm,5,真空绝热直埋管构造,真空层真空度50Pa,6,真空绝热直埋构造,7,真空绝热直埋管,介质工

2、作温度t 350 真空层真空度 50Pa 在介质工作温度t=350、环境温度t=0，单位散热损失 19.035 Wm, 管径大、散热大（DN80400）,8,应力与应变,应力：单位面积所受到的力 =P/A0 应变：单位长度上的形变 =L/L 加载的四个过程 1：弹性阶段op：停止加载，拉力降为0，则变形完全消失。虎克定律=E,线形 p：比例极限；e：弹性极限，钢：pe重合 弹性极限应力e=200MPa,9,应力与应变,加载的四个过程 2：屈服阶段esa：继续加载，应变增加很快，而应力增加很少，到s点后应力几乎不变，此后，应变继续增加。 屈服极限s=240MPa 在sa内，塑料变形大约为比例极限

3、所产生的伸长量的1015倍,10,应力与应变,加载的四个过程 3：强化阶段ab：到a点后，材料继开始硬化，材料恢复对变形的抵抗力，随着应变增大、应力也增大，到b点后应力到最大 强度极限b=400MPa，表示材料所能承受的最大应力,11,应力与应变,加载的四个过程 4：局部变形阶段bc：过b点后再加载，试件开始变细直至拉断 试件内部实际应力不断增大， =P/A0，随着试件变细、实际的A0变小， 增大；但公式中的A0未变、图中值下降 基本许用应力 =强度特性/安全系数,12,热应力,热应力：不同于机械应力，看不到变形 L=t L =L/L= t =E=Et 热应力的大小与管长、管壁厚、管径大小无关

4、，而仅与材料物性、温差有关 P= A0 热应力所产生的推力与管壁厚、管径有关，与长度无关,13,无补偿直埋原理,如轴向热应力 ，可不设补偿器 如何减少热应力 如何确定 弹性分析法 管材处于弹性阶段，并利用予热方法扩大加热的温差范围 第四强度理论校验 安定分析法 允许管材有部分屈服塑性变形，但变形稳定后又安定于新的弹性阶段 第三强度理论校验,14,二、弹性分析法,原理 弹性阶段：热应力=Et 条件： ， Et t / E式（1） 只要管道的升温不超过上值，即使管道两端固定、无任何补偿器，管道也能正常工作,15,例： =130MPa，E=2.1105MPa， =1.210-5 m/m / E=51

5、.6 所以 t 必 51.6,16,无补偿原理,安装温度 ty=0，则工作温度tmax=51.6，tmin=-51.6 安装温度 ty=50，则工作温度tmax=101.6，tmin=-1.6，在此温度范围内变化，管道可以无补偿 在tmax下，管道受到压应力，在tmin下，管道受到拉应力,17,2、无补偿受力分析安装,AB管段处于外温，B自由移动,A,B,=0,=0,=0,0=Et ,tmintty,预热到ty温度，B端膨胀，不计移动摩擦力,保持ty温度，B端焊接,管道温度t下降，收缩，为不使B点移动，固定B点，产生拉应力,18,无补偿受力分析运行,运行：当tty时，拉应力 直至t=ty 再继

6、续升温，管段被压缩，压应力,A,B,0E(ttmin),= 0,tmintty,A,B,tty,A,B,0,ty ttmax,| ,E(ty-t),E(ty-t),19,小结,只要tmin t tmax，即| ，不用补偿器可安全工作 要选择合适的预热温度ty，近似为最高工作温度与停热后可能最低温度的平均值 如支点A左侧也同样的管段，则左右对称， 左= 右，固定支座可以取消，即无固定支座、无补偿的直埋 未考虑土壤压力、管内热媒压力的影响,20,3、摩擦长度,先填土、后预热 A点固定，C点自由伸缩,A,B,C,伸长量LX=t X，C点伸长量最大,由于伸长移动，管道与土壤摩擦，产生摩擦力,摩擦力：P

7、t=FmD L Fm单位面积上的摩擦力 L从自由点起的管道长度,C点摩擦力最小，由C向左，随L增大摩擦力线性增加,21,摩擦长度,Fm=g(h+Dy/2) 土壤密度kg/m3 h埋管深度m（到管顶) Dy外管壳外径m 外壳与土壤摩擦系数 由于热伸长产生摩擦应力热应力 =Pt /A，A管道的环形面积,22,摩擦长度,根据设计原则， ， 即 FmD L /A 令Lf= A /( FmD L) Lf表示允许管道伸长移动的最大长度。如图中B点的长度为Lf ，B点向左的管段不允许伸长移动，因此从B到A的热应力均与B点相等,Lf,A,B,C,23,摩擦长度,=1800kg/m3，h=1m, =0.6(0.

8、2)， 130MPa Dy=125mm, Dw=60mm, Dn=55.1mm, A=0.000443m2, Fm=11246N/m2，则Lf=13.04m(39.1) Dy=500mm, Dw=400mm, Dn=384mm, A=0.00984m2, Fm=13230N/m2，则Lf=61.6m(184),24,摩擦长度小结,摩擦长度是从管段受摩擦力的角度分析，因此其值大小仅与管段直径、管壁厚度、保温层厚度、埋深有关，而与温度无关 摩擦长度随着壁厚的增大而增大、随着管径的增大而增大,25,4、一次性补偿器,理想过程：把补偿器与管道焊接在一起，管道预热到ty 后，管道热伸长，一次性补偿器被相

9、应压缩，一次性补偿器吸收管道热伸长量，在此状态下将外筒密封焊死，保证ty下=0 之后，一次性补偿器成为刚性整体，不再具有补偿能力,26,一次性补偿器,一次性补偿器：只起一次补偿作用，以后即为普通管道 作用：预热时用 间距：先填土、后预热 补偿器只补偿了该段管路在设计温差下产生变形总量的一部分，它的目的是使管路工作中拉伸压缩的平衡点处在设计温差下变形总量的中点，是拉伸、压缩应力基本相等，起到降低管道中拉伸或压缩变形应力的作用,27,摩擦长度与一次性补偿器,如管段LmLf，A端固定、C端可伸缩，预热到ty，伸长量L m =ty Lm ，则A点的摩擦力 如果在K点（摩擦长度Lf）加入一次性补偿器，吸

10、收热伸长量，则热应力分布就会处于安全状态 此时（ty）热伸长停止，摩擦力消失，=0，符合弹性分析原理 摩擦长度及一次性补偿器主要是考虑热伸长过程中的受力,A,B,C,Lf,Lf,K,Lm,28,5、考虑管段内外压力的影响,应力与应变 拉力作用下有轴向、纵向应变 轴向应变：x= L /L 轴向应力： x=Ex 纵向应变： y= y /y,在力F作用下，总同时产生x与y，且x与y符号相反 对各向同性材料，有y =x ， 泊松系数，钢材0.3 当x0， y 必为负值，即在y方向上产生收缩，因此该微元体与相邻微元体之间产生拉力 y=Ey=Ex=x 0 （ x0，则y0）,F,F,x,y,29,管内压力

11、的影响,内压Pn，产生径向变形，导致三种力：环向应力，径向应力，轴向应力,Pn,Dn,S,S,tan,tan,径向应力：外壁受土壤压力，可忽略，且认为线性， 3=Pn/2，压应力 由于Dn/S 1，| tan| 3|， 3 忽略不计,轴向应力：由泊松定律知，环形应力引起轴向应力ax=tan ，恒为正,环向应力： 2Stan=PnDn tan=PnDn/(2S) Pn0， tan0，拉应力，恒为正,30,有温升、内压时的轴向应力,温升、无内压：= Et ，有正有负 有内压、无温升：ax=tan= PnDn/(2S)，恒为正 同时有温升、内压： ax=+ax= Et +PnDn/(2S),31,6

12、、实际工况下的无补偿设计,设计要求：|ax| 升温过程（tty）：管段压缩，到达tmax时 |E（ty tmax）+ PnDn/(2S)| 在供热中|E（ty tmax）| PnDn/(2S)| 则 |E（tytmax）+ PnDn/(2S)| = E（tmaxty） PnDn/(2S)0 得 E（tmaxty） PnDn/(2S) = tmaxty=+ PnDn/(2S) / E,32,ty,如：Pn=1.1MPa，3258 得： tmaxty=53.3 若： tmax=130，则ty76.7,33,tmin,降温过程 管段拉伸，拉应力， E（ty tmin） ax= PnDn/(2S) ，

13、恒为正 设计要求 E（tytmin）+PnDn/(2S) 得：tmin=ty-PnDn/(2S) / E 同例： tmin=26,34,强度理论校核,实际是三维受力，当用一维受力设计计算 第四强度理论:eq=ax2+tan2 -axtan) 2 实际中土壤并未完全固住管道，而释放部分应力，为扩大温度范围，用1.35 来设计计算,35,三、安定性分析,安定性：不发生塑性变形的连续循环，在少数反复加载后变形得到稳定，其随后材料呈现弹性特性，即材料在有限量的塑性变形后能安定在弹性阶段,36,受力分析,加载：从O到A，理想弹性阶段，应力达到屈服极限s，应变s 继续加载，进入屈服阶段，应力不变，应变到o

14、，但仍在屈服阶段，没到强化阶段 开始卸载，应力沿BC下降到C点。应力为0，但还有残余变形（ o- s) 为消除残余变形，反向加压直至变形为0，到D点，此时产生残余压应力D,0,s,D,A,B,D,s,C,o,37,受力分析,B点应变o，对应名义应力o， 反向压缩到变形为0时，对应一个名义残余应力（0- s） 材料再次加载，应变从0到s，应力从D点沿DB到B点，以后再加、卸载，应力沿DB变化，呈弹性阶段的特性，没有新的塑性变形，应力变化范围为s o,0,s,o,D,A,B,D,s,C,o,38,受力分析,按照弹性理论，初应力0（名义应力）必须小于2s，如02s，则会连续产生新的塑性变形，而会导致

15、材料破坏 取0=2s，则D=s 这样，在新的弹性阶段，允许应力变化范围成为02s,39,受力分类,一次应力：管道受内压、持续外载而产生的应力 满足静力平衡条件产生的应力 没有自限性，即始终随着载荷的增加而增加，超过屈服、强度极限而破坏 一次应力用弹性分析法，即应力小于许用应力 弹性分析法：取弹性极限为s，且=s / 1.5，所以知s=1.5，设计ax ,40,受力分类,二次应力：管道变形受到约束而产生的应力，如无补偿产生的热应力 有自限性，即当局部屈服和小量塑性变形后，应力下降，变形得到满足。变形继续发展，应力不再增加 二次应力用安定性分析 安定性分析法：安定在弹性阶段后弹性极限成为0=2s=3 ，设计要求ax0，即ax3,41,设计原理,取安全