DN1400直埋高温水管道壁厚的计算选取.pdf

2012
年
道技水
设
第5期
Pipeline Technique and Equipment
DN1400直埋高温水管道壁厚的计算选取
张国栋,朱
王雪梅
(1.华电国际电力股份有限公司河北分公司,河北石家庄050031;2.北京市煤气热力工程
设计院有限公司,北京100032,3.石家庄华电供热集团有限公司,河北石家庄050041)
摘要:文中对直埋高温水管道的强度失效和稳定失效等各种应力破坏形式进行了分析,并根据国
内外有关规范和资料,分别用内压作用最小壁厚、温度变化作用最小壁厚、管壁局部屈曲作用最小壁厚
和钢管刚度验算等4个计算公式得出DN1400管道的最小壁厚,对计算结果进行比较和分析,确定了高
温水管道的最终取用壁厚。
关键词:大管径;直埋高温水管道;强度失效;稳定失效;应力;壁厚
中图分类号:TU99
文献标识码:A文章编号:1004-9614(2012)05-0050-02
短距离内从它的根源衰减,是一种导致疲劳裂纹或脆
石家庄鹿华热网项目供热主管线DN1400单管总、性破坏的可能原因。峰值应力校核应根据管道使用
长28.9km.设计供回水温度130/70℃,设计压力1.6期限内所受的循环荷载和循环变化次数进行疲劳分
MPa.以直埋敷设方式为主,特殊穿跨越管段根据具体析,热水管道从最低工作温度到最高工作温度的循环
条件,采用管沟、暗挖隧道、管桥等方式敷设。该项目变化次数较低,故称为低循环疲劳。
于2009年开工建设,2011年采暖季投产运行。
.1.4高循环疲劳破坏
Ⅰ直埋高温水管道的应力破坏形式
车辆荷载通过车轮和土壤作用在管道上,使管道
1.1强度失效
局部截面产生椭圆化变形,相应地会产生应力集中
强度失效包括无限塑性变形、循环塑性变形、低由于车辆荷载岀现频率高,称为高循环疲劳破坏。
循环疲劳破坏和高循环疲劳破坏4种形式。
1.2稳定失效
1.1.1无限塑性变形
从整个管线看,管道属于杆件;从管道局部看,管
次应力主要是由于压力、重力和其他外載作用道属于薄壁売体。当高温水管道处于受压状态时,可
产生的应力,它是平衡外力所需要的应力。一-次应力能出现整体失稳或局部失稳破坏。
的特点是没有自限性,随所加荷载的增加而增加,当1.2.1整体失稳
应力强度超过屈服极限时,将使管道发生无限塑性变
直埋高温水管道在运行工况下轴向压力最大,当
形或者总体变形,进而导致管道爆裂
管道温度升高热胀变形不能完全释放时,管道中产生
1.1.2循环塑性变形
轴向压力。存在轴向压力的管道有向法线方向凸出
次应力是由于结构热胀冷缩等位移受约束所使管道弯曲的倾向,当周围土壊的约東力较小或因周
产生的应力,它不直接与外力平衡,而是为满足位移围土壤开挖约東力减小时,受压管道可能会在横向约
约束条件或变形协调要求所需的应力。供热管道的
束最弱的区域丧失稳定,管道向横向或竖直方向推开
二次应力主要由温度循环变化引起。当温度变化过
土壤形成弯曲的凸出管段,出现整体失稳破坏。
大,而热胀变形又不能完全释放时,升温过程会使管
1.2.2局部失稳(局部屈曲)
壁因轴向压应力而产生轴向压缩塑性变形;降温过程
在轴向力的作用下,管壁可能出现局部皱结,引
则会使管壁因轴向拉应力产生轴向拉伸塑性变形。
起局部失稳或称局部屈曲。
1.1.3低循环疲劳破坏
管道在周围土壤荷载和交通荷载等外压作用下
峰值应力是由于管道或附件局部结构不连续或
局部热应力引起的附加到一次应力和二次应力上的会使管道横截面产生局部横截面失稳。
2钢管壁厚计算分析
增量。峰值应力的特点是不引起显著的变形,而且在
内压作用最小壁厚
收稿日期:2011-09-30收修改稿日期:2012-04-16
按照《城市热力网设计规范》(CJJ34-2010)规
第5期
张国栋等:DN1400直埋高温水管道壁厚的计算选取
定,管道计算采用《火力发电厂汽水管道应力计算技时给出了对于有截面缺陷的铺固段的直管,当rm/8>
术规程》(DL/T53566-2006)的规定。只考虑管道承28.7时,ΔT的极限状态为
受内压时的直管最小壁厚按式(1)计算
△T≤(3500×+8)
(5
[o]n+2yp
式中ΔT为管道工作循环最高温度与最低温度的差
式中:8为直管的最小壁厚,mm:;p为设计压カ,取1.6值,C
MPa;D。为管子外径,mm;[o]为钢材在设计温度下的
根据式(5),在n/8>28.7时,满足温升120℃的
许用应力,材质Q235-B取125MPa;n为许用应力的条件所需的最小管壁厚度为22.3mm
修正系数,螺旋缝焊接钢管取θ.9;γ为温度对计算管2.4钢管刚度验算
子壁厚公式的修正系数,材质Q235-B取0.4。
根据《输油管道工程设计规范》(CB50253),钢管
直管承受内压最小壁厚计算结果为10.0mm.以径向变向量按式(6)计算。
上计算结果只考虑了内压的最小要求,还未计人钢管
△X=
JKWR
EI+0.061E
(6)
加工壁厚负偏差
2.2温度变化作用最小壁厚
式中:△X为钢管水平径向的最大变形率,取0.003;J
根据《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJ!为钢管变形滞后系数;K为钢管基座系数;W为单位管
81-98)4.3
条,对于直管段的当量应力変化范围长上的总垂直荷载,MN/m;E"'为回填土的变形模量
应进行验算,销固段当量应力变化范围应满足下列表MPa;为单位长度管壁截面的惯性矩,m/m;r为钢管
达式的要求:
的平均半径,m
=(1-ル)o1-aE(ち2ー1)≤3[o](2
7
12
×D
(3
W=W +W
(8
式中:の,为内压、热胀应力的当量应力変化范围,MPa;式中:W1为管顶垂直土載荷,MVm;W2为地面车辆
为泊松系数;σ为管道内压引起的环向应力,MPa;
传到钢管上的载荷,MN/M
为钢材的线膨胀系数,m/(m?℃);E为钢材的弹性
W、=yDH
9)
模量,MPa;2为管道工作循环最高温度,℃;と为管道式中:y为土壤容重,MN/m;H为管顶覆土深度,m.
工作循环最低温度,℃;pa为管道的计算压力,MPa;D
W2=0.4775"D。
(10)
为钢管内径,m
按3[o]=375MPa计算,满足无补偿冷安装强度式中:J为冲击系数;G,为汽车的单轮轮压,N
条件的钢管最小壁厚为10.0mm.
在式(10)中,管顶覆土深度取3m,钢管的最小壁
2.3管壁局部屈曲作用最小壁厚
厚为10.0mm.
根据《区域供热手册》中极限状态C1中介绍,没3钢管取用壁厚
有应变局部积累危险的管道,纵向压应变的限制值
以上4项计算结果见表1。
应为
表1钢管壁厚计算结果汇总表
计算结果
当“≤60时
序号
计算项目
/mm
内压作用最小壁厚
10.0
e≤0.25?-0.0025
4
温度变化作用最小壁厚
10.