直埋供热管道应力及热位移的分析2006

直埋供热管道应力及热位移的分析2006-10-31
摘要：分析直埋敷设供热管道在工作温度循环变化过程中管道应力、热位移等参数的变化特点。

通过分析长直管段和短过渡段管段的工作过程中应力、热位移等参数的变化，研究了直埋敷设管道热位移对管道安全的影响。

关键词：直埋管道；供热管道；应力；热位移
近年来随着城市供热管网的不断发展，热水管道直埋技术日益成熟，并越来越多地应用于城市供热工程中[1-3]。

直埋敷设管道中各点的热位移、摩擦力及管道应力等参数随供热管道升温、降温发生变化[4、5]，由于管道布置形式不同，管道最不利的状态不一定为管道达到最高工作温度及管段处于锚固段时。

有些管段因增设补偿器，使管段处于过渡段内工作，但由于管段的各种参数随着供热管道升温、降温发生变化，从而导致工作状态偏离设计状态，对管件造成破坏。

本文通过分析某种布置的管段应力、热位移的变化研究直埋管段热位移对管道安全的影响。

1 直埋敷设管道的管段类型
直埋敷设供热管道根据管道变形及应力分布特点一般可分为过渡段、锚固段[5-8]。

①过渡段
过渡段的一端为固定端(指固定点、驻点或锚固点)，另一端为活动端(补偿器或弯头)，当管道温度变化时，能产生热位移。

在过渡段的活动端处，温度变化时管段基本处于自由伸缩状态，随着温度的不断升高，管段活动截面从活动端逐渐移向固定端，由于管段与周围土壤之间的摩擦力作用，管段热伸长受阻。

随着管段活动截面逐渐接近固定端，摩擦阻力增加至与温升产生的热应力相等，该点管道截面受力平衡，管段不能再向活动端伸长，从而进入自然锚固状态，该点即为自然锚固点。

过渡段中由于各点都有不同程度的热位移，热应力得到部分释放，因此过渡段的轴向热应力从活动端的零值逐渐增加至固定端的最大值。

②锚固段
锚固段由于受土壤摩擦力的作用，管段热伸长受阻，当管道温度发生变化时，不产生热位移。

在锚固段内管道的热伸长完全转变为轴向应力留存在管壁内，使该管段应力达到最大值。

2 长直管段的工作过程
在供暖期，直埋敷设供热管道由安装温度逐渐上升至工作时的最高温度，并在工作温度下运行。

在非供暖期或检修期，管道温度下降至最低温度。

因此直埋敷设供热管道的工作过程是一个升温、降温的循环过程。

为分析直埋敷设供热管道在工作过程中各种参数的变化，本文利用图解法分析理想直埋敷设供热管道初次升温、初次降温及循环工作时的工作状态。

一段直埋敷设长直管段(见图1)，点A为活动端，点B为自然锚固点。

为简化分析，设定管道工作循环最低温度与安装温度相等，且不考虑补偿器的阻力，并认为该管段在弹性状态下工作。

点A至点B的长度为Lc。

图1中横坐标为长度L(单位为m)，纵坐标为摩擦力F(单位为N)、应力σ(单位为Pa)、应变ε、温升t(单位为℃)等参数。

此主题相关图片如下：
图1 长直管段应力等参数的分布
Fig．1 Distribution of stress and other parameters of
long straight pipeline section
①初次升温时的工作过程
图1中CD为升温(温度升高△t)后管段的温度应力曲线，OH′D为管道升温膨胀时管道与周围土壤之间摩擦力产生的应力曲线，2条曲线在点D相交。

在点D左侧，摩擦力产生的应力小于温度应力，管段AB可产生变形。

OH′D也为第1次温升后过渡段的应力及应变分布线。

点D、C、D、H′、O围成的阴影部分的面积为过渡段第1次温升的伸长量。

此主题相关图片如下：
②初次降温时的工作过程
管道降温(温度下降△t)后，该管段温度应力分布曲线为线段OH′D的平行线FHE。

线段OHG为管道降温收缩时管道与周围土壤之间摩擦力产生的应力曲线，与升温时摩擦力产生的应力曲线大小相等，方向相反，即与OH′D对称于OL轴。

在点H左侧，摩擦力产生的应力小于温度应力，管段AB′可产生收缩变形。

在点H右侧，摩擦力产生的应力大于温降产生的应力，管段B′B不能收缩。

曲线OHE即为该管段第1次降温时的应力及应变分布线。

由图1可知，当管道温度下降至安装温度时，点O、H、F、O围成的面积为点O、H′、D、C、O围成的面积的1/2，即升温时的热伸长在降温时仅能收缩1/2，而且参与收缩的管段也
仅为整个过渡段长度的1/2(即LAB′=LB′B)。

③循环工作过程
当管道再次升温(温度升高△t)后，该管道温度应力曲线为OHE的平行线CH′D，而管道由于温升摩擦力产生的应力曲线仍为OH′D。

在图1中点H′左侧，摩擦力产生的应力小于升温产生的应力，管段AB′可受热伸长。

在图中点H′右侧，摩擦力产生的应力等于温升产生的应力，管段B′B不能伸长。

由以上分析可知，弹性工作状态下管道初次升温、降温与循环工作时的状态有所不同。

3 短过渡段的工作过程
当实际过渡段长度小于极限过渡段长度时，应注意分析各种工作过程中热位移、摩擦力及管道应力等各种参数的变化及与相邻过渡段之间的相互影响。

一段直埋敷设供热管段(见图2)，两端均为活动端，A端为轴向型补偿器，B端为竖向弯头，在立管上设置复式拉杆型波纹管补偿器。

点C为初次升温运行时的驻点。

为简便分析，假定升温、降温的温差均为△t。

①初次升温时的工作状态
初次升温时，管道的工作压力在A端产生压应力σ1(单位为Pa)，在B端产生拉应力σ2(单位为Pa)。

随着管道工作温度的升高，线段GH为管段AC升温伸长时与周围土壤之间的摩擦力产生的应力曲线，线段HI为管段CB升温伸长时与周围土壤之间的摩擦力的应力曲线。

经比较，温度应力曲线DEF上的任意值均大于摩擦力产生的应力曲线GH及HI上的对应值，交点H对应管段驻点C，因此曲线GHI为管段AB初次升温时的应力及应变分布线。

图2 短过渡段应力等参数的分布
Fig．2：Distribution of stress and other parameters of short
transition pipeline section
②初次降温时的工作状态
初次降温时，由于温度下降、管道收缩时摩擦力产生的应力曲线分别为线段GJ和IJ，温度应力曲线为GHI的平行线XYZ。

经比较，温度应力曲线XYZ上的任意值均大于摩擦力产生的应力曲线GJ及IJ上的对应值，因此曲线GJI为管段AB初次降温时的应力及应变分布线。

交点J对应管段节点C′，因此降温运行时管道驻点移至点C′。

此时管段AC′收缩量为点G、J、N、Y、X、G围成的面积，管段C′B收缩量为点I、J、N、Z、I围成的面积。

③再次升温时工作状态
管道再次升温时温度应力曲线为GJI的平行线DST。

管道升温伸长时摩擦力产生的应力曲线分别为线段GH及HI，交点H再次对应管段节点C，因此再次升温运行时管道驻点又移至点C。

温度应力曲线DST上的任意值均大于摩擦力应力曲线GH及HI上的对应值，因此曲线GHI为管段AB再次升温时的应力及应变分布线。

此时管段AC伸长量为点D、M、H、G、D围成的面积，管段CB伸长量为点H、M、S、T、I、H围成的面积。

④循环工作状态
由以上分析可知，管段在循环工作过程中驻点位置在点C、C′间移动，管段的部分伸长量从A侧转移至B侧。

降温时管段AC′增加的收缩量(图2中降温变形量)当再次升温后会增加到管段CB的伸长量(图2中升温变形量)上。

因此会导致管段A端的轴向型补偿器升温变形后，在降温时不能回到初始状态，而是被拉长，而管段B端的复式拉杆型补偿器升温
变形后，在降温时也同样不能回到初始状态，而是由于位移量的增大，偏向右侧。

这样循环工作若干次后，会导致A端的轴向型补偿器处于受拉状态，直至破坏，而B端的复式拉杆型补偿器则会因为超过额定补偿量而损坏。

4 结语
由于实际工程中影响管道布置的因素很多，管道布置的类型各不相同，且过渡段内管道作用力、应变、应力及位移的变化情况较复杂。

若管道布置不合理，会对管件造成不同程度的破坏，从而会影响到整个管网的正常运行，造成不必要的损失。

因此设计人员在进行直埋供热管道布置时，不仅应计算管道最高循环工作温度下的热位移以及对管道进行受力计算及应力验算，还应尽量避免过多设置补偿器而形成过渡段较多的情况，并核算分析直埋管道在工作温度循环变化过程中管道应力、摩擦力的变化，以免造成管件的破坏，影响管道的安全性。