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直埋L型管段設置波紋管補償器時熱力管道駐點漂移問題分析

放大字體  縮小字體 發布日期:2013-09-25  瀏覽次數:83315
本文通過工程實例分析計算了城鎮供熱直埋敷設預制保溫管L型管段設置波紋管補償器時駐點位置的變化,從中找出了駐點漂移的一些規律,并針對相應問題提出了解決方案,以供同行參考。
   
      前 言            
      為防止管道在升溫時由于熱膨脹或溫度應力引起管道變形甚至破壞,或增設支口等特殊需要,需要在管道上設置補償器,以吸收管道的熱伸長,從而減小管道的應力以及作用在閥門、三通等薄弱部件上的作用力。但補償器在保證管網運行安全的同時,它自身也成了管網的薄弱環節之一,如設置和選擇不合理反而成為隱患,因此補償器的設置和選擇也顯的較為重要。然而駐點漂移問題一直困擾著我們在城鎮熱力管網設計中對補償器選擇和設置。為此本文就我們常見的直埋L型管段設置波紋管補償器時熱力管道駐點漂移問題用一個工程實例通過幾個循環過程來進行分析計算,以便找出一些規律供設計參考之用。
      1.工程概況:
      管徑DN400,預制直埋保溫管,規格D426*7(鋼管外徑*壁厚)/D560*8.8(保溫外徑*壁厚); 
      鋼材Q235鋼,E=1.98*105MPa,α=1.24*10-5m/m·℃,ν=0.3; 
      運行基本參數:設計壓力P=1.6MPa,循環最高溫度T1=120℃,循環最低溫度T2=10℃,安裝溫度T0=10℃; 
      L型轉角彎頭φ=90°,R=2.5D=1m;回填情況:管頂覆土深度H=1.5m,ρ=1800kg/m3,c=5*106N/m2,μmax=0.4,μmin=0.2;L=200米;補償器BE1設計補償量106mm,額定補償量127mm,選用洛陽七二五研究所生產的RW16-400AⅠ型補償器,剛度Kx=372N/㎜,有效面積為Ai=2070㎝2;管網布置圖示意如下:
      2.分析計算:
      管道橫截面積A=0.25*3.14*(D02-Di2)=9.2*10-3m2
      內壓引起的環向應力σt=P*Di /(2*δ)=47.09MPa
      單長最小摩擦力Fmin=πρgμmin(H+Dc/2)Dc=11042.47N/m
      最大過渡段長度Lmax={【αE(T1- T0)-νσt】*A*106}/Fmin=213.24m
      本案例L=200米,該管段不存在錨固段,全部處于過渡段(滑動段)
      2.1第一個循環過程
      (1)首次運行受熱時(μ取μmax=0.4),此時受力情況如圖1:
      根據力的平衡有(由于彎頭產生的彈性力FK1<<摩擦力Fμ,故在工程計算中忽略FK1):
      Fμ1=Fμ2+Fk2+P0*Ai(1)
      Fμ1=πρgμ(H+Dc/2)Dc*L1(2)
      Fμ1=πρgμ(H+Dc/2)Dc*L2                (3)
      L= L1+L2(4)
      由(1)、(2)、(3)、(4)得
      L1=L/2+(Fk2+P0*Ai)/2πρgμ(H+Dc/2)Dc(5)
      L2=L/2-(Fk2+P0*Ai)/2πρgμ(H+Dc/2)Dc(6)
      將Fk2=Kx*ex、L=200m、μ=0.4等數據代入(5)、(6)得L1=108.39m,L2=91.61m
      (2)首次停運變冷態時,此時受力情況如下圖2:
 此時波紋管的彈性力很小,可忽略不計,根據力的平衡有:
      Fμ1+ Fk1=Fμ2+ Fk2(7)
      Fμ1=πρgμ(H+Dc/2)Dc*L3(8)
      Fμ1=πρgμ(H+Dc/2)Dc*L4(9)
      L=L3+L4(10)
      此時波紋管的彈性力很小,可忽略不計,由(7)、(8)、(9)、(10)得L3=L4=L/2=100m
      2.2第二個循環過程
      (1)運行幾年后,假設μ變為0.3,此時再次受熱時,受力情況同圖1,同理得:
      L1=L/2+(Fk2+P0*Ai)/2πρgμ(H+Dc/2)Dc(5)
      L2=L/2-(Fk2+P0*Ai)/2πρgμ(H+Dc/2)Dc(6)
      將μ=0.3等數據代入得L1=111.19m    L2=88.81m
      (2)此時再次停運時,受力情況同圖2,同理得L3=L4=L/2=100m
      2.3第三個循環過程
      (1)再運行幾年后,μ變為μmin=0.2,此時再次受熱時,受力情況仍同圖1,同理得
      L1=L/2+(Fk2+P0*Ai)/2πρgμ(H+Dc/2)Dc(5)
      L2=L/2-(Fk2+P0*Ai)/2πρgμ(H+Dc/2)Dc(6)
      將μ=0.2等數據代入得L1=116.78m    L2=83.22m
      (2)此時再次停運時,受力情況仍同圖2,同理得L3=L4=L/2=100m
      3.分析總結
      3.1由上述分析計算可以看出:
      Ⅰ.在每個循環的熱態和冷態轉換的轉換過程中管道的駐點移動了;
      Ⅱ.管道在經過一個循環過程后由于摩擦系數的變化導致駐點也發生了變化;
      Ⅲ.在經過N個循環后摩擦系數μ變為μmin,在理論上講因為摩擦系數成為定值了,故在個N循環后只存在熱態和冷態轉換過程中的駐點變化,且這個變化是固定的;
      Ⅳ.當摩擦系數最小且為冷態時補償器形成的摩擦段長度值最大
      3.2上述只是管段L不存在錨固段的一個例子,在實際工程中可能會存在錨固段的情況,這種情況下在熱態時補償器形成的摩擦段長度為
      LF,b=【EAα(T1-T0)-Aνσt-Ai*P0】*106/F(11)
      彎頭形成的的摩擦段長度為
      LF,c={Z2+2Z【EAα(T1-T0)+A0*P0-Aνσt】
      *106/F}1/2-Z(12)
      其中Z=A*tg2(φ/2)/【2κ3*I(1+Cm)】(13)
      Cm=1/(1+KκRφI/I′)(14)
      κ=(CDc/4EA)1/4(15)
      當整個管段由熱態轉為冷態后,P0變為零,則
      補償器形成的摩擦段長度為LF,b=【EAα(T1-T0)-Aνσt】*106/F(16)
        彎頭形成的的摩擦段長度為LF,c={Z2+2Z【EAα(T1-T0)-Aνσt】*106/F}1/2-Z(17)
      從公式(11)、(12)、(16)、(17)同樣可以得出3.1的四條結論,另外可以發現當μ=μmin
      公式(16)與直管段最大過渡段長度公式Lmax={【αE(T1-
      T0)-νσt】*A*106}/Fmin相同,我們也可以理解為當μ=μmin且管段處于冷態時補償器形成的摩擦段長度最大,本文把此長度記為Lmax,b。
      4.針對問題提出解決辦法
      由于沒考慮駐點漂移現象,在我們的工程運行中曾出現過這樣的問題:補償器沒被壓縮,反被拉伸,有違安裝補償器的初衷,而且構成了極大的隱患,補償量如果不富;蜻^小,補償器就會被拉壞。針對這個問題提出下面兩種解決方案:
      4.1當整個管段都處于滑動段時,也可以在彎頭和補償器之間加做固定支架。為了使得固定支架的推力最小,需要找出熱態和冷態兩種情況下推力最小點,該點在熱態時形成的駐點和冷態形成的駐點之間,需要用迭代法進行計算得出。
      該方案因固定墩的縮小減少了占地面積,且有一定的經濟效益,但計算繁瑣,管線布置對施工現場環境要求較為較高,對于施工現場環境復雜的情況不大方便實施。
      4.2補償器的補償量按最不利情況(即摩擦系數最小且為冷態時)補償器形成的摩擦段長度計算,公式為
        υ=α(T1-T0)L′-Fmin(L′)2/2AE
      υ——補償器設計補償量(m)
      Fmin——單長最小摩擦力(N/m)
      L′―駐點或固定墩與補償器的距離(m),當L長管段不存在錨固段(Lmax,b=Lmax>L/2),L′取L/2;當L長管段存在錨固段(Lmax,b=Lmax<L/2),L′取Lmax;
      **考慮到諸如施工、土質、材料、溝槽回填等諸多不確定因素,訂制補償器時一般增加10%-20%的余量。
      該方案較為簡單實用,對施工現場環境要求不高;因補償器的選用稍大一些費用有所提升,但卻省掉了固定支架的費用,所以從整體上看也是經濟合理。我們在工程設計上常采用此種方案。
      5.符號說明
T0——管道安裝溫度,℃
       Di——工作鋼管的內徑,m
      T1——管道工作循環最高溫度,℃
       A——工作鋼管的橫截面積,m2
      T2 ——管道工作循環最低溫度,℃
       A0——彎臂上鋼管的流通面積,m2
      Fμ ——管道摩擦力,N
       σt——管道內壓引起的環向應力,MPa
      Fk——管道彈性力,N
       α——鋼材的線膨脹系數,m/m·℃
      P0*Ai——波紋管內壓引起的軸向推力,N
      E——鋼材的彈性模量,MPa
      P0——管道的計算壓力,MPa
       ν——鋼材的泊松系數
      Ai——波紋管補償器有效面積,m2
       R——彎頭的彎曲半徑,m
      F——管道單位長度上的軸向摩擦力,N/m
       K——彎頭的柔性系數
      Fmin——管道最小單長摩擦力,N
       φ ——彎頭的轉角弧度,rad
      ρ——土壤密度kg/m3
       C——土壤橫向壓縮反力系數,N/m3
      μmin——管道與土壤間的摩擦系數
       δ——鋼管公稱壁厚,m
      H——管頂覆土深度,m
       I——直管橫截面的慣性矩,m4
      Dc——預制保溫管外殼的外徑,m
       I′——彎頭直管橫截面的慣性矩,m4
      D0——工作鋼管的外徑,m
---      洛陽暖源熱力設計有限公司 李彩紅 郭世宏 王 慶
 
參考文獻:
      [1]城鎮直埋供熱管道工程技術規程(CJJ/T  81—98).中華人民共和國行業標準.中國建筑工業出版社.1998
      [2]王剛.直埋供熱管道系統設計方法.哈爾濱工程大學博士后研究工作報告.1999年5月
      [3]王飛,張建偉. 直埋供熱管道工程設計. 中國建筑工業出版社.2006
 
關鍵詞: 直埋L型管
 
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