直埋水平轉(zhuǎn)角管段狀態(tài)及駐點存在判定方法

摘 要

摘　要：針對一側(cè)活動端為彎頭，另一側(cè)活動端為波紋管補償器的水平轉(zhuǎn)角管段，對管段狀態(tài)(錨固段、過渡段)、過渡段存在駐點的判定方法進行了探討。關(guān)鍵詞：直埋供熱管道； 水平轉(zhuǎn)角管

摘　要：針對一側(cè)活動端為彎頭，另一側(cè)活動端為波紋管補償器的水平轉(zhuǎn)角管段，對管段狀態(tài)(錨固段、過渡段)、過渡段存在駐點的判定方法進行了探討。

關(guān)鍵詞：直埋供熱管道；  水平轉(zhuǎn)角管段；  錨固段；  過渡段；  駐點

Judgment Methods of State and Stagnation Point Existence of Directly Buride L-type Pipe Section

Abstract：For L-type pipe section with bend at one activity end and bellows type expansion joint at other end，the judgment methods of pipe section state (fully restrained section and partly restrained section)and the existence of stagnation point in partly restrained section are discussed．

Keywords：directly buried heat-supply pipeline；L-type pipe section；fully restrained section；partly restrained section；stagnation point

 

直埋供熱管道駐點是兩端為活動端的直線管段，當(dāng)管道溫度變化且今線管道產(chǎn)生朝向兩端或背向兩端的熱位移，管道上位移為零的點。駐點易因溫度、土壤摩擦力等的變化發(fā)生移動。根據(jù)管子及附件(補償器、閥門、三通等)的強度要求，考慮工程安全，需要設(shè)置固定點。

考慮經(jīng)濟性，通過理論計算，將供熱管道上的駐點設(shè)置為固定點，可有效減小固定支座所受推力及尺寸，降低工程造價[1-2]。本文對直埋水平轉(zhuǎn)角管段狀態(tài)(錨固段、過渡段)及過渡段存在駐點的判定方法進行探討。

1　供熱管道受力分析

①外力

供熱管道所受外力主要包括：盲板力(由管道內(nèi)壓產(chǎn)生的力)、過渡段受到的土壤摩擦力(管道位移變形受到土壤約束產(chǎn)生的力)、活動端位移產(chǎn)生的作用力。

盲板力Fn的計算式為：

 

式中Fn——盲板力，N

A——內(nèi)壓作用有效截面積，m2

p——供熱管道工作壓力，Pa

d——工作鋼管內(nèi)直徑，m

過渡段受到土壤摩擦力Fz的計算式為：

Fz＝FminLz              (2)

式中Fz——過渡段受到的土壤摩擦力，N

Fmin——單位長度直埋保溫管外殼與土壤的最小摩擦力，N／m

Lz——過渡段長度，m

活動端位移產(chǎn)生的作用力主要包括：彎頭彈性力、補償器補償位移產(chǎn)生的力(波紋管補償器彈性力、套筒補償器摩擦力、旋轉(zhuǎn)補償器扭力)，波紋管補償器彈性力Ft的計算式為：

Ft＝kaLzDt             (3)

式中Ft——波紋管補償器彈性力，N

k——波紋管剛度，N／m

a——鋼材的線性膨脹系數(shù)，K-1

Dt——運行溫度與安裝溫度之差，℃

②內(nèi)力

內(nèi)力指由于溫度、壓力發(fā)生變化，供熱管道變形受到外力約束而產(chǎn)生的力。

對于錨固段，當(dāng)變形完全被外力(土壤摩擦力等)約束而未得到釋放時，產(chǎn)生的內(nèi)力Fa的計算式為：

Fa＝EaDtAp            (4)

式中Fa——對于錨固段，當(dāng)變形完全被外力約束而未得到釋放時產(chǎn)生的內(nèi)力，N

E——鋼材彈性模量，Pa

Ap——工作鋼管管壁截面積，m2

2　直埋水平轉(zhuǎn)角管段模型

本文分析對象為一側(cè)活動端為補償彎頭，另一側(cè)活動端為波紋管補償器的直埋水平轉(zhuǎn)角管段，設(shè)定管段中存在不發(fā)生位移的點A，管段模型受力分析見圖1。

 

圖中L1——波紋管補償器與點A的距離，m

L2——點A與彎頭的距離，m

Fz,1——點A左側(cè)過渡段受到的土壤摩擦力，N

Fx,2——點A右側(cè)過渡段受到的土壤摩擦力，N

Fn,c——波紋管補償器受到的盲板力，N

Fn,b——彎頭受到的盲板力，N

F——彎頭彈性力(土壤對彎頭的反作用力)，N

Fn,c的計算式為：

Fn,c＝p(Ac-A)          (5)

式中Ac——波紋管補償器有效截面積，m2

Fn,b的計算式為：

Fn,b＝pA              (6)

3　管段模型狀態(tài)及駐點存在判定

　?、俟芏文Ｐ蜖顟B(tài)判定

判定管段是否為錨固段的依據(jù)為管段變形是否完全被外力約束，當(dāng)變形完全被約束時，管段處于錨固狀態(tài)，此時錨固段承受的內(nèi)力達到最大值Fa。設(shè)管段模型存在錨固段，其中錨固段左右兩側(cè)過渡段長度分別為Lm、Ln，管段模型的受力分析見圖2。

 

當(dāng)管段存在錨固段時，對于錨固段左側(cè)、右側(cè)有：

Fa＝Fz,m+Fn,c+Ft＝FminLm+p(Ac-A)+kaLmDt       (7)

Fa＝Fz,n-Fn,b+F＝FminLn-pA+F                 (8)

式中Fz,m、Fz,n——管段m、n受到的土壤摩擦力，N

將式(7)、(8)相加，得到：

2Fa＝Fmin(Lm+Ln)+p(Ac-A)+kaLmDt-pA+F        (9)

若將L1+L2替代Lm+Ln，L1替代Lm代入式(9)，則有：

F¢＝FminL+p(Ac-Ap)+kaL1Dt-pA+F

F¢>2Fa                       (10)

則式(10)可作為判別管段模型存在錨固段的判別式。根據(jù)工程經(jīng)驗：彎頭彈性力、補償器彈性力相對于過渡段受到土壤摩擦力可忽略不計，因此可將式(10)簡化為：

F¢＝FminL+p(Ac-2A)

F¢>2Fa                 (11)

管段整體為過渡段的判別式為：

F¢≤2Fa               (12)

②駐點存在判定

判定管段模型存在駐點應(yīng)同時滿足兩個條件：條件l：管段整體為過渡段；條件2：駐點位移為零。在滿足條件1下，判定是否滿足條件2。駐點位移為零，即受到的合力為零。若點A為駐點，則有：

Fz,1+Fn,c+Ft＝Fz,2-Fn,b+F         (13)

仍忽略Ft、F，式(13)可簡化為：

FminL1+pAc＝FminL2               (14)

將L2=L-L1代入式(14)，可得：

pAc＝Fmin(L-2L1)                (15)

由此可得到，條件2的判別式為：

pAc<FminL                      (16)

當(dāng)同時滿足式(12)、(16)時，管段模型存在駐點。由式(15)可得到，駐點與波紋管補償器的距離L1的計算式為：

 

4　結(jié)語

在供熱管道設(shè)計過程中判定管道狀態(tài)、確定駐點位置十分重要，將固定支座設(shè)置于駐點可大幅降低固定支座承受的推力，從而降低工程造價。

 

參考文獻：

[1]馮繼蓓，孫蕾，梁永建．直埋水平轉(zhuǎn)角管段駐點位置的影響因素[J]．煤氣與熱力，2006，26(2)：56-58．

[2]李風(fēng)雷．直埋敷設(shè)中減少補償器和固定支座的方法[J]．煤氣與熱力，2007，27(1)：64-66．

 

本文作者：?？≈?span lang="EN-US">  單既國  李宏俊  劉巍

作者單位：中國市政工程華北設(shè)計研究總院

  青島能源設(shè)計研究院有限公司