供热管道强度分析

摘要：为保证系统的安全运行和投资经济合理，需要对供热管道材料和管道系统的进行强度分析和验算。

关键词：壁厚 受力计算 管道压力

Abstract: In order to ensure the safe operation of the system and investment in the economy is reasonable, you need strength analysis and checking the heating piping materials and piping systems.Keywords: wall thickness force calculation pipeline pressure

中图分类号：TU7 文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）

实际工程中供热管道材料和管道系统的进行强度分析和验算十分重要，通常计算如下：

1管道的壁厚计算

1.1直管道壁厚计算

1.1.1工作钢管的计算壁厚按下式：

δt=PdD0/（2 [σ]φ+Pd）+B

式中：δt―管道的理论计算壁厚，m ；

Pd ―管道的计算压力，MPa ；

D0―管子的外径，m；

[σ] ―管材在计算温度下的基本许用应力，MPa ；

φ― 基本许用应力修正系数；

B ― 管道壁厚附加值，m ；

根据计算结果和我国目前的钢管标准尺寸确定所使用的钢管壁

厚，如下表所示：

管道壁厚计算表

1.2外保护钢管的计算壁厚

根据国内外工程的实例，同时参照有关规范，满足蒸汽直埋管道的竖向稳定性，防止局部弯曲作为选择外护钢管壁厚的计算依据，以确保热网的安全可靠。

对于锚固段中的直管Δσ和ΔT的极限状态为：

当rm/δ≤28.7时，Δσ≤334MPa；

当rm/δ≥28.7时，Δσ≤（9250δ/rm+11.7）MPa；

当rm/δ≤28.7时，ΔT≤130℃；

当rm/δ≥28.7时，ΔT≤（3500δ/rm+8）℃

式中：rm―外套钢管平均半径，m

δ―外套钢管平均壁厚，m

Δσ―应力变化范围，MPa；

ΔT―温差，℃；

根据上述公式的使用，计算外套钢管的壁厚，见下表。

外套钢管壁厚计算表

2管件的壁厚计算

2.1弯管壁厚计算

由于弯头或弯管在形状上存在按一定弯曲半径的弯曲，故在弯曲处将产生应力集中，从而使其理论壁厚比直管理论壁厚有更大的值才能承受与直管相同的介质压力。

除此之外，弯头或弯管的应力水平还与其弯曲半径有关，且随弯曲半径的增加而减小。本工程上采用弯曲半径2.5D，目的是减小弯头或弯管的应力，以满足在温变过程中由于应力集中产生的峰值应力所引起管道的低循环疲劳破坏。

本工程采用直管壁厚计算公式加修正系数的方法近似求解，见下式：

当径比k=Do/Di≤ 1.04时，其最小计算壁厚

So=PDo/(2［σ］tφ+P)（2R-Do/2）/（2R-Do）（1）

当径比k=Do/Di＞ 1.04时，但K＜1.25 时，其内外侧的最小壁厚

Soi=PDo/(2［σ］tφ+P)Bi （2）

Soo=PDo/(2［σ］tφ+P)Bo （3）

弯头或弯管的最小设计壁厚，取上面三式的计算值再加附加余量，即S= So+C

Soi= Soi+C

Soo= Soo+C

式中符号表示如下：

So――弯头或弯管的最小计算壁厚，mm

Soi――弯头或弯管内侧的最小计算壁厚，mm

Soo――弯头或弯管外侧的最小计算壁厚，mm

S――弯头或弯管的最小设计壁厚，mm

Do――弯头或弯管的外径，mm

Di――弯头或弯管的内径，mm

R――弯头或弯管的轴心弯曲半径，mm

P――弯头或弯管的设计压力，MPa

C――壁厚附加量，mm

Bi――弯头或弯管内壁厚度修正系数

Bo――弯头或弯管外壁厚度修正系数

弯管成型后，各点的实际壁厚应不小于相应的最小壁厚，且不得低于与其相接的直管的公称壁厚。

计算结果见下表，表2-13。

工作钢管弯管的壁厚选用表（弯曲半径2.5D）

2.2三通、变径管的壁厚

三通壁厚不小于主管的壁厚，三通采用成品冲压三通，三通肩部处的厚度为直管壁厚的1.4倍。管道开孔时，根据计算，三通直管处，均应作补强处理，壁厚采用等面积补强法计算。

变径管的壁厚不小于主管壁厚。变径管采用成品锻制变径管。

3管道的受力计算

城市热网以直埋敷设为主，蒸汽管道因为采用钢套钢的结构，因此其工作钢管的应力计算方法与架空管道的计算相同，只是外套钢管的受力分析类似于直埋敷设。高温水管道采用高密度聚乙烯外套，聚异氰脲酸酯（改性聚氨酯）发泡保温，外套管、保温层和工作钢管三者之间紧密结合形成三位一体的结构，采用直埋敷设设计原理。

热网受力分析和强度计算采用安定性分析方法，按《火力发电厂汽水应力计算技术措施》的方法进行应力计算和受力分析。

对于实际运行的热网，直管道破坏导致的管网事故几乎没有，而多数事故都是由弯头、三通、折角和变径管等管件的破坏引起的，因此使管网系统中的所有管件都处于安全的强度状态下才是管网系统设计的最终目的。

4直管的强度和稳定性

循环塑性变形

4.1计算方法

采用第三强度理论

Δσj=Δσh-Δσ≤3［σ］

Δσh=Prn/δ

4.2无补偿存在的条件

对于无补偿管段，轴向应力的变化范围为：

Δσ=-αE(T1-T2)+νσh

允许无补偿管段存在的应力强度条件

Δσj=E(T1-T2)+(1-ν)σh≤3［σ］

相应的允许无补偿管段存在的循环温差强度条件为

T1-T2＜(T1-T2)max=1/(αE)(3［σ］-(1-ν)σh)

(T1-T2)max-无补偿管段存在的最大允许循环温差。

4.3整体失稳

为满足避免整体失稳的垂直荷栽Q应满足下式

Q≥γsNz2f0/(EI)

Q=GW+G+2SF

式中GW-每米管长的土层重量，N/m

GW=（HDO+(4-π) DO2/8）ρg

G-每米管长的保温管重量，N/m

SF-净土压力造成的剪切力，N/m

SF=0.5ρg（H+0.5DO）2+K0tanφ

根据计算若管道预热到80℃后，管道公称直径DN≥200，在埋深0.9m以上时,满足防止失稳的条件，因此在满足上述条件时，可以采用预热无补偿或预热一次性补偿的安装方式。

5弯头及折角强度计算

弯头强度计算公式如下：

σj＝βMrw／I+σh≤6[σ]

β＝1.8 ／（λ）2/3

σh＝Ps* rn／δ

折角强度计算

σj＝βM*rw／I+βN/A+σh≤6[σ]

β＝1+1.65（2*rw／δ）1/2tan（φ/2）

σh＝Ps* rn／δ

不同埋深预热一次性补偿，直埋管道采用弯曲半径2.5D，当小于2.5D时，不满足无补偿直埋条件。管道最大允许折角≤5°，折角＞5°时不满足无补偿直埋条件，应设补偿器或固定墩，以保护折角处不遭受破坏。

根据强度分析对于应力集中部位在不满足无补偿直埋敷设的强度条件时，如三通弯头、折角、变径和阀门等处，为使管网系统处于安全状态，减少管道的内应力，考虑设置固定墩或补偿器。

供水管道的直管段部分采用预热无补偿（当安装条件允许敞槽安装时）或预热一次性补偿（不允许敞槽安装时）直埋敷设，而弯头、三通、阀门等处的应力较大，为防止整体失稳和保护弯头、三通、阀门等，在这些部位考虑设置固定墩。

参考文献:

[1]何聪, 赵玉军,李祥瑞.无补偿预热直埋敷设方式的探讨[J]. 煤气与热力, 2002, 22( 5): 452- 454.

[2]李静, 戴东辉,李晓恭.热水供热管道预热无补偿直埋敷设的设计[J].煤气与热力, 2006, 26( 12): 44- 46.

[3]王飞, 张建伟. 直埋供热管道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007.