直埋蒸汽外护管直管稳定性及弯头强度验算

2020-03-17乔正凡车凤勤

煤气与热力 2020年3期

乔正凡，车凤勤，王磊

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430014)

1 概述

正常运行期间，直埋蒸汽管道外护管表面温度不大于50 ℃，在内固定支座、滑动支座等处外护管的温度不大于60 ℃。在运行初期，施工阶段保温层中留存的水会被加热沸腾汽化从排潮管排出，外护管表面温度将达到100 ℃左右。外护管受土壤约束，在温度变化时，其受力与直埋热水管道类似，在工程中多采用无补偿方式敷设。本文结合工程实例，对直埋蒸汽管道外护管直管段稳定性进行校核，对弯头进行强度验算。

2 项目概况

某直埋蒸汽管道设计压力为1.6 MPa，设计温度为280 ℃，外护管表面计算温度为50 ℃。预制直埋蒸汽管采用外滑动结构[1]，保温层、内滑动支座随工作管在外护管内沿轴向自由移动。外护管为D1120×12螺旋缝双面埋弧焊钢管(材质为Q235B)，外护管弯头曲率半径为1.5倍直管外直径，采用斜接弯头。外护管管顶覆土深度为1.3 m，外护管外防腐层为聚乙烯防腐层。

3 直管段稳定性校核

外护管虽然不承受内压，但CJJ/T 104—2014《城镇供热直埋蒸汽管道技术规程》第5.2.3条规定，需进行局部稳定性验算、径向稳定性验算，并符合CJJ/T 81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规程》的相关规定。

3.1 局部稳定性验算

外护管局部稳定性验算式应符合CJJ/T 81—2013公式(5.4.2)：

(1)

β=αE(t1-t0)+νp

(2)

式中do——外护管外直径，m

δ——外护管壁厚，m

E——钢材弹性模量，MPa

β——中间参数

ν——钢材的泊松系数，取0.3

p——外护管计算压力，MPa

α——钢材的线膨胀系数，K-1

t1——外护管工作循环最高温度，℃

t0——外护管计算安装温度，℃

CJJ/T 104—2014第5.2.2条第1款规定，在应力计算时，外护管最高温度取95 ℃。因此，式(1)中外护管工作循环最高温度取95 ℃。由CJJ/T 81—2013附录B选取钢材弹性模量、钢材的线膨胀系数分别为20.0×104MPa、12.2×10-6K-1。根据CJJ/T 104—2014第5.2.2条第3款，外护管计算压力取0.2 MPa。管道计算安装温度取10 ℃。将已知参数代入式(1)、(2)，由计算结果可知，外护管满足局部稳定性验算条件。

3.2 径向稳定性验算

CJJ/T 104—2014第7.2.3条规定，外护管的径向变形量不得大于或等于外直径的3%。这条规定与CJJ/T 81—2013公式(5.4.4-2)一致。CJJ/T 104—2014第7.2.3条明确规定，外护管变形量按CJJ/T 104—2014附录C计算。因此，外护管径向稳定性验算式为：

Δd≤0.03do

(3)

(4)

(5)

(6)

式中 Δd——外护管的径向变形量，m

J——钢管变形滞后系数，取1.5

K——基座系数

W——单位管长上的总垂直载荷，MN/m

r——外护管的平均半径，m，为0.554 m

I——单位长度管壁截面的惯性矩，m4/m

E′——回填土的变形模量，MPa

ρ——回填土的密度，kg/m3，本文取1 800 kg/m3

g——重力加速度，m/s2，本文取9.8 m/s2

h——外护管管顶覆土深度，m

jc——冲击系数，取1.0

Gv——车辆的单轮轮压，MN

外护管管顶覆土深度取1.3 m。基座系数、回填土的变形模量根据CJJ/T 104—2014表C.0.1选取，管道按敷设在砂卵石或碎石垫层考虑，基座系数、回填土的变形模量分别选取为0.096、3.5 MPa。CJJ/T 104—2014表C.0.3规定，当管顶覆土深度大于0.8 m时，冲击系数取1.0。车辆的单轮轮压根据CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范(2019年版)》表10.0.2选取为0.08 MN。将已知参数代入式(4)～(6)，可计算得到外护管的径向变形量为20.4 mm，小于外护管外直径的3%，外护管满足径向稳定性验算条件。

4 弯头强度验算

4.1 验算条件

外护管弯头的强度验算应符合CJJ/T 81—2013公式(5.5.3)：

σ=σbt+0.5σpt

(7)

σ≤3σall

(8)

(9)

(10)

rbm=rbo-0.5δb

(11)

(12)

(13)

式中σ——综合应力，MPa

σbt——弯头在弯矩作用下最大环向应力变化幅度，MPa

σpt——弯头在内压作用下的最大环向应力，MPa

σall——钢材的许用应力，MPa

βb——弯头平面弯曲环向应力加强系数

M——弯头的弯矩变化范围，N·m

rbo——弯头横截面的外半径，m

Ib——弯头横截面的惯性矩，m4

rbm——弯头横截面的平均半径，m

R——弯头的曲率半径，m

δb——弯头公称壁厚，m

rbi——弯头横截面的内半径，m

Q235B钢材的许用应力为125 MPa。弯头公称壁厚取0.012 m，弯头横截面的外半径为0.56 m，弯头横截面的内半径为0.548 m。

弯头的弯矩变化范围根据CJJ/T 81—2013附录C.1.2第2款给出的计算方法进行计算。对于采用聚乙烯外防腐层的外护管，外护管与土壤间的最大摩擦系数可按CJJ/T 81—2013的表5.1.5选取。考虑到外护管由安装温度升至工作循环最高温度取95 ℃，仅在运行初期由于保温层中留存的水被加热沸腾汽化所导致，并非常态。因此，在计算时，外护管与土壤间的最大摩擦系数取0.4[2]。包括介质在内的保温管单位长度自重取5 345 N/m，回填土内摩擦角取30°。水平转角管段的过渡段最小长度按CJJ/T 81—2013的式(C.1.1-2)计算，并根据附录C.1.2条第1款，对水平转角管段两侧的计算臂长及平均计算臂长进行确定。