直埋蒸汽管道弯头应力分析与支座设置

摘 要

通过分析不同角度直埋蒸汽管道工作管弯头及附近支座的应力,探讨工作管弯头附近支座的设置。

 摘 要:通过分析不同角度直埋蒸汽管道工作管弯头及附近支座的应力,探讨工作管弯头附近支座的设置。

关键词:直埋蒸汽管道;  内固定支座;  单向内固定支座;  应力分析;  自然补偿

Stress Analysis for Directly Buried Steam Pipeline Elbow and Support Setting

AbstractThe setting of the supports near the working pipe elbow is discussed by analyzing the stress of the working pipe elbow of the directly buried steam pipeline and the nearby supports with different angles

Keywordsdirectly buried steam pipelineinside fixed supportunidirectional inside fixed supportstress analysisnatural compensation

 

1 概述

直埋蒸汽管道沿市政道路敷设,需根据道路走向调整管道走向,沿线需设置不同角度的弯头,由于在两个直埋蒸汽管道内固定支座[1]之间设置弯头可能会破坏管道内部保温材料和轴向补偿器等,因此,在直埋蒸汽管道中设置弯头需采取相应的技术措施。本文通过对不同角度的直埋蒸汽管道工作管弯头及附近节点进行应力分析,探讨弯头附近支座的设置,避免弯头对保温材料和轴向补偿器的破坏,指导直埋蒸汽管道施工图设计。

2 应力计算及校核

2.1 一次应力计算及校核

管道在工作状态下,由内压和持续外载(包括自重和支吊架反力等)产生的应力,属于一次应力。一次应力是非自限性的,超过某一限度,将使管道整体变形直至破坏。因此,一次应力不得大于钢管在设计温度下的许用应力,以防止过度的塑性变形而导致管道破坏。可按式(1)(4)计算及校核[2]

sLst                 (1)

sL=pD/4d+szhw+sw        (2)

szhw=Fzhw/100A           (3)

sw=mMw/W                (4)

式中sL——轴向应力,Mpa

st——钢管在设计温度下的许用应力,本文也称为一次应力的许用应力,Mpa

p——设计压力,Mpa

D——管道外直径,mm

d——管道壁厚,mm

szhw——持续外载轴向应力,Mpa

sw——持续外载当量应力,Mpa

Fzhw——持续外载轴向力,N

A——管壁断面积,cm2

m——应力加强系数

Mw——持续外载当量力矩,N·m

W——管道截面系数,cm3

2.2 二次应力计算及校核

管道由于热胀、冷缩等变形受约束而产生的应力属于二次应力,其特征是有自限性的,在反复交变应力作用下引起疲劳破坏。二次应力按式(5)(6)计算及校核。

sEf(1.25s20+1.25st-sL)       (5)

sE=mME/W                       (6)

式中sE——热胀当量应力,取计算管系上危险断面的应力值,Mpa

f——管道位移应力范围减少系数

s20——钢管在20℃时的许用应力,Mpa

ME——热胀当量力矩,m

(5)中,sEf(1.25s20+1.25st-sL),本文将其称为二次应力的许用应力。

3 弯头应力分析实例

以工作管为DN 600mm的钢套钢直埋蒸汽管道弯头为例进行应力分析。设计参数如下:设计压力为1.4MPa,设计温度为280℃,外护管表面温度为50℃;保温采用外滑动结构[3],预制直埋蒸汽管道设置有内滑动支座,保温层、内滑动支座随工作管在外护管内沿轴向自由移动。工作管规格为Ø630×9螺旋缝双面埋弧焊钢管(材质为Q235B),保温层为高温玻璃棉,其厚度为220mm;外护管采用Ø1120×12螺旋缝双面埋弧焊钢管(材质为Q235B);工作管弯头的弯曲半径为3倍管道外直径,采用无缝钢管煨制;外护管弯头采用斜接弯头,外护管管顶覆土厚度为1.2m。热补偿采用外压轴向型波纹管补偿器(以下简称波纹管补偿器),由波纹管补偿器、直管段和两侧的内固定支座构成一个直管补偿段,每个直管补偿段长度为50m。在以下应力分析中,图1、图3、图5中所示为直埋蒸汽管道弯头和一个直管补偿段的情况,两侧还有若干个直管补偿段。采用CAESAR进行应力分析,CAESAR是由美国鹰图公司研发的压力管道应力分析专业软件,该软件是将管道模拟为梁单元,因此,本文图中节点是指管道截面。

在直埋蒸汽管道中设置弯头,为防止两个内固定支座之间的弯头破坏保温层和轴向补偿器,本文结合工程设计实践,提出3种弯头附近支座的设置形式:弯头一侧设置内固定支座,弯头两侧设内固定支座,弯头两侧分别设置内固定支座和单向内固定支座。

3.1 弯头一侧设置内固定支座

如图1所示,在弯头B一侧设置内固定支座,节点b为工作管弯头处,节点a为工作管内固定支座A处,节点d为内固定支座D处,q为弯头角度。内固定支座将工作管固定在外护管内,外护管敷设在土壤中。节点bd之间的工作管热变形由波纹管补偿器吸收。为减少管段b-d横向位移,避免对波纹管补偿器产生影响,同时减小轴向力F的力臂,应控制a-b之间的距离,满足内固定支座A与弯头B安装尺寸要求即可,本文中内固定支座A距弯头端距离为0.4m。弯头B承受其左侧轴向力F作用,弯头B右侧轴向力FN由内固定支座A承受。轴向力FFN由波纹管补偿器不平衡内压力(俗称盲板力)、弹力以及工作管的内滑动支座与外护管摩擦力合成[4]

直埋蒸汽管道弯头应力分析与支座设置

 

根据以上条件,利用CAESAR建立钢套钢直埋蒸汽管道模型,弯头角度0分别为20°25°30°35°40°50°60°70°80°90°,对应建立10个应力计算模型。计算结果显示,直埋蒸汽管道外护管各节点、工作管各节点中,ab节点应力较高,其他节点的应力均在许用应力范围内。因此,本文重点分析ab节点应力,计算结果见图2

直埋蒸汽管道弯头应力分析与支座设置

 

根据图2,随着弯头角度0的增加,工作管在弯头、内固定支座处的应力均逐渐增大,其中,二次应力增幅较小,一次应力增幅较大。当弯头角度q30°时,工作管在ab节点的一次应力超过其许用应力,二次应力满足要求。以上应力分析表明,钢套钢直埋蒸汽管道弯头附近支座按照图1布置方式设计时,当弯头角度q≤25°时,工作管各节点的应力在许用应力范围内,满足规范要求;当弯头角度q>25°时,工作管ab节点的一次应力将超过其许用应力,不能满足规范要求。

3.2 弯头两侧设置内固定支座

如图3所示,在弯头B两侧ac节点设置内固定支座,节点b为工作管弯头处,节点acd分别为工作管的内固定支座ACD处,q为弯头角度。内固定支座将工作管固定在外护管内,外护管敷设在土壤中。节点cd之间的工作管热变形由波纹管补偿器吸收。由于外护管内空间小,同时弯头吸收变形能力较小,根据工程经验,直埋蒸汽管道L形自然补偿臂长宜在210m范围,本文中内固定支座AC与弯头端距离均取4m。弯头两侧被内固定支座固定,对c-d段工作管无横向位移,对波纹管补偿器无影响;弯头两侧内固定支座分别承受轴向力FFN,可以减小弯头的一次应力。

直埋蒸汽管道弯头应力分析与支座设置

 

根据以上条件,利用CAESAR建立钢套钢直埋蒸汽管道模型,弯头角度秽分别为30°35°40°50°60°70°80°90°,对应建立8个应力计算模型。计算结果显示,直埋蒸汽管道外护管各节点、工作管各节点中,abc节点的应力相对较高,其他节点的应力均在许用应力范围内。因此,本文重点分析abc节点应力,计算结果见图4

直埋蒸汽管道弯头应力分析与支座设置 

根据图4,随着弯头角度q的增加,工作管在节点abc处的一次应力均逐渐增大,增幅很小,均在许用应力的50%以下;节点abc处的二次应力均逐渐减小,当弯头角度日大于50°时,节点b二次应力小于许用应力,当弯头角度q大于80°时,节点abc二次应力均小于许用应力,满足规范要求。以上应力分析表明,钢套钢直埋蒸汽管道弯头附近支座按照图3布置方式设计时,当弯头角度q>80°时,工作管各节点的应力在许用应力范围内,满足规范要求;当弯头角度q80°时,工作管abc节点的二次应力将超过其许用应力,不能满足规范要求。

3.3 设置内固定支座和单向内固定支座

如图5所示,在弯头B一侧靠近弯头处设置内固定支座A,承受作用于弯头B的轴向力FN;另一侧靠近弯头设置轴向单向支撑内固定支座(以下简称单向内固定支座C),仅承受轴向力F,限制工作管向c-b方向移动,不限制工作管沿其他方向移动。图中节点b为工作管弯头处,节点a为工作管内固定支座A处,节点c为工作管单向内固定支座C处,节点d为内固定支座D处,q为弯头角度。内固定支座、单向内固定支座将工作管固定在外护管内,外护管敷设在土壤中。节点cd之间的工作管热变形由波纹管补偿器吸收。为减少直管段c-d横向位移,避免对波纹管补偿器产生影响,同时减小轴向力F的力臂,应控制ab之间距离,满足内固定支座A与弯头B安装尺寸要求即可,本文中内固定支座A、单向内固定支座c与弯头端距离均为0.4m

直埋蒸汽管道弯头应力分析与支座设置

 

根据以上条件,利用CAESAR建立钢套钢直埋蒸汽管道模型,对多个角度弯头进行应力分析,弯头角度q分别为30°35°40°50°60°70°80°90°,对应建立8个应力计算模型。计算结果显示,直埋蒸汽管道外护管各节点、工作管各节点的各类应力均在许用应力范围内,节点abc的应力相对较高。因此,重点分析节点abc应力,计算结果见图6

直埋蒸汽管道弯头应力分析与支座设置

 

根据图6,在弯头另一侧设置单向内固定支座后,abc等节点一次应力随弯头角度q的增加变化较小;其二次应力开始随角度增加而增加,当弯头角度q=50°时,二次应力达到最大,节点b达到其许用应力的91.8%,此后,二次应力随角度增加而减少,但均在相应许用应力范围之内,满足相关规范要求。由于单向内固定支座仅承受轴向力F,在减小弯头的一次应力的同时不限制工作管弯头的热位移,故工作管各节点一次、二次应力均在相应许用应力范围之内。以上应力分析表明,钢套钢直埋蒸汽管道弯头附近支座按照图5布置方式设计时,弯头角度满足25°<q≤90°时,工作管各节点的应力均在许用应力范围内,满足规范要求。但由于大于80°小于等于90°的弯头具有吸收变形能力,在实际工程中,在弯头两侧设置内固定支座,构成L形自然补偿段。

4 结论

在钢套钢直埋直埋蒸汽管道设计过程中,对于弯头附近支座的设置,可采取以下方式进行设计:

q≤25°时,在弯头附近一侧设置内固定支座。为提高质量并方便现场安装,将内固定支座、弯头和相应外护管在工厂预制,组成一个管件。

25°<q≤80°时,在弯头附近一侧设置内固定支座,另一侧设置单向内固定支座。为提高质量并方便现场安装,将内固定支座、弯头、单向内固定支座和相应外护管在工厂预制,组成一个管件。

80°<q≤90°时,在弯头两侧设置内固定支座,形成一个L形自然补偿段。

 

参考文献:

[1]郭世宏.直埋蒸汽管道设计与施工的分析[J].煤气与热力,200525(11)57-59

[2]《动力管道设计手册》编写组.动力管道设计手册[M].北京:机械工业出版社,2006558-562

[3]杨雪琴,邵蓉,李晓恭.直埋蒸汽管道技术应用与探讨[J].煤气与热力,200525(9)53-55

[4]黄鸾,方渝.论直埋蒸汽管道的设计[J].天津电力技术,2001(Z1)25-28

 

 

 

 

本文作者:乔正凡

作者单位:中国市政工程中南设计研究总院有限公司