直埋敷设热水管道0°～15°小角度转角管段应力分析

刘 翠 霞

(太原市热力公司，山西 太原 030024)



直埋敷设热水管道0°～15°小角度转角管段应力分析

刘 翠 霞

(太原市热力公司，山西 太原 030024)

介绍了供热系统管道直埋敷设时所用到的弯管的种类，从弯头强度验算、计算臂长、单斜接缝焊接弯头应力等方面，分析了小角度转角管段的转角应力，并阐述了小角度转角管道的施工工艺，以供参考。

直埋敷设，小角度转角，应力

1 概述

我国的供热系统在进行管道的施工过程中，多数会采用直埋敷设的方式，尤其是供热管道的直径值不超过DN500时，采用直埋敷设的方式具有非常大的优势。不过在施工时，依然有着一些较为重要的问题需要我们解决。例如，对于管道直径变换位置的应力计算、三通位置的应力计算和小角度转角管段位置的应力计算，尤其是0°～15°小角度转角管段的设计，在进行直埋敷设施工时是较常碰到的问题。本文依照供热管道0°～15°小角度转角管段的设计布局和连接，探讨了小角度转角管段的应力情况，并指出采取何种措施对0°～15°小角度转角管段进行保护。

2 弯管的种类

在设计小角度直埋敷设的转角管段时，对于管道转角的处理可采取两种不同的方式：其一，是采取较大曲率半径光滑弯头的方式。其二，是采取单斜接缝焊接的方式，如图1所示。

显然可见，采取使用较大曲率半径弯头的方式来对小角度转角管道进行处理相对要好很多。不过，采用这种方法需要质量较好的弯管，并且进行弯管的加工时也相对困难。而采用单斜接缝焊接的方式则非常的便捷，不过此类方法需要品质非常高的管道，通常所采用的管道很少可以满足要求的应力条件。同时，在CJJ/T 81—2013城镇供热直埋热水管道技术规程(简称规程，下同)中，关于锚固的管道部分，规定其安全折角应当小于2°，并且不同的管道直径也有不同的要求。而这一规定明显无法处理0°～15°范围内的相关管道转角设计。

3 转角应力分析

对于转角应力计算与分析时，所采用的管道类型为直埋保温型管道。

3.1 弯头强度验算中存在的影响因素

假定所使用的管道材料一定，那么对于弯头臂长的布置与设计，影响的因素包含下列几点：

1)供热管道直埋敷设深度。当管道所埋设的深度较大时，管道所受到的单长摩擦力值相应的较大。此时，转角最大的平均计算臂长会相应减小。

2)供热管道的循环温度差值。当供热管道某段所具有的循环温度差值相对较大时，弯头处相应的弯矩可允许变化的范围区间就会较小，转角最大的平均计算臂长也会相应减小。

3)弯头所具有的形式。采用光滑弯头的形式，应力集中的情况要较采用焊接弯头时相对好，而且也具备相对大的转角最大平均计算臂长。

4)弯头自身的壁厚。如果弯头处管壁厚度值较大，则管道所拥有的强度也会相对大，转角最大平均计算臂长也会较大。

3.2 机制弯管的应力分析

下列分析中所采用的相关参数为：假定供热管道埋设的深度为1.5 m，管道安装时的温度为-10 ℃，而供热介质所具备的最高温度为130 ℃，供热管道的压力值为1.6 MPa，管道的循环终点温度值为10 ℃。

机制弯管曲率半径和柔性系数计算公式如下：

Rc=R

(1)

K=1.65/λ

(2)

其中，Rc为弯头位置的计算曲率半径；R为弯头位置的实际曲率半径；K为弯头具有的柔性系数；λ为弯头具有的尺寸系数。

依照规程中强度验算的条件，能够得到在弯矩的影响下管道最大环应力所发生波动的范围，并且能够推算得到弯头位置的最大弯矩波动范围。而假设所使用的管材不发生变化，弯头位置的最大弯矩波动幅度和弯头的转角大小以及管道埋设的深度不存在关联性，仅仅和弯头的曲率半径存在关联。本研究中所采用的供热管道具体参数如表1所示。

表1 选定的供热管道参数 mm

并在给定的相应的参数下，计算R=3D,R=5D和R=10D不同情况下弯头最大弯矩波动幅度，如表2所示。

表2 机制弯管最大弯矩 ×103 N·m

3.3 弯头的计算臂长

如果供热管道的参数、埋设深度以及供热介质最高温度、循环终点温度值等均一定，且为上述所假定的相应值，弯头位置所可以允许的最大弯矩波动幅度和弯头的平均计算臂长以及弯头所具有的曲率半径存在一定的关联性。因此，我们在确定了使用特定的供热管道时，仅需将其计算臂长保持在特定的范围之中，便能确保弯头在供热系统运行时的安全与可靠性。依照本文中所设定的弯头转角和相应的曲率半径值，计算得到不同的转角计算臂长，见表3。

表3 不同小角度转角以及不同曲率半径下的计算臂长 m

从表3中我们能够得出，当弯头具有的曲率半径不断的增加，其计算臂长也会相应的增大。如果弯头的曲率半径为R=10D，在0°～15°范围内的转角设计均为安全的。因此，如果供热管道埋设施工时，现实条件允许应当尽量采用曲率半径相对大的弯头。

3.4 单斜接缝焊接弯头的应力分析

单斜接缝焊接方式弯头的曲率半径和相应的柔性系数计算公式为：

Rc=rbm

(3)

K=1.52/λ5/6

(4)

式中：Rc——弯头的曲率半径； rbm——弯头在横截面位置处的半径值； K——弯头具有的柔性系数； λ——弯头所具有的尺寸系数。

对于单斜接缝焊接的弯头形式来说，其自身的曲率半径将是特定值。因此，其所具有的最大弯矩波动幅度同样也是固定的，具体数据见表4。

表4 弯头最大弯矩值

而根据表4中数据，当管道的埋设深度为1.5 m时，计算出相应的臂长，见表5。

表5 各小角度转角臂长 m

所以，和采用光滑弯头的方式相比，采用单斜接缝焊接的方式所能承受的环应力小很多。因此，对于实际施工时，要尽可能地采用光滑弯头，使供热管道施工时转角管段涉及的处理工艺相对简单。

4 小角度转角管道采用的施工工艺

当供热管道进行0°～15°小角度转角管段施工时，经常会涉及到下列的施工工艺：

1)采取较大的曲率半径替换折角。

2)应当将管道自身的管壁厚度给予一定的加厚处理。

3)对于相对大的转角，可以采用不同的小角度转角管段连接来实现。

4)对小角度转角管段设置加固装置进行保护。

5)对小角度转角管段安装相应的补偿装置，以降低弯头位置的应力值。

5 结语

对于小角度转角管段的设计，要依照现场的具体状况，来制定合理的方法，从而确保其可以更加的具有安全性。在施工时要尽可能的采取光滑弯头的形式，同时也要采取较大的曲率半径。而对于小角度转角管段的臂长控制，可以有效的改善弯头位置的应力情况。在实际的设计时不易达到。现阶段，我们在进行小角度转角管段的设计与分析中，依然还未形成相对健全的理论，也不具备丰富的经验。经过长期的坚持探索与研究，定会使我们更加全面、细致地掌握直埋敷设中小角度转角管段的相关技术，同时也会在小角度转角管段的设计中发挥更巨大的效用。

[1] 刘 博,崔 琪.高温大直径管道的应力影响分析[J].管道技术与设备,2016(2)：46-48.

[2] 王志刚,郭大成,谷万冰,等.埋地热油管道弯管应力监测分析[J].油气田地面工程,2016(2)：63-65.

On stress analysis of 0°～15° puny angle corner in directly buried hot water pipelines

Liu Cuixia

(TaiyuanThermalPowerPlant,Taiyuan030024,China)

The paper introduces the types of elbow in the directly buried pipelines for the thermal system, analyzes the stress of the puny angle corner section from the calculation of the elbow strength, calculation of the length, and elbow stress of the monocline joint welding technique, and illustrates the construction craft for the puny angle elbow pipelines, so as to provide some reference.

directly bury, puny angle corner, stress

1009-6825(2017)06-0141-02

2016-12-11

刘翠霞(1983- )，女，工程师

TU991.36

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