大管径直埋供热管道受力与稳定性分析

发布时间：2020-07-05 19:44

【摘要】：随着我国经济实力的快速提升,以及人们生活水平的不断提高,冬季我国的供热区域面积在逐年增大。集中供热与传统的区域性锅炉供热相比更加节能环保。我国的供热事业朝着热源绿色化、供热集中化、运行安全化等方向不断发展。国内的一些热力管网主管的管径达到甚至超过DN1400;管网工作压力已经达到2.5MPa。目前我国针对热力管道设计及应力计算的主要参考依据为《城镇直埋供热管道工程技术规程》(CJJ/T81-98、CJJ/T81-2013),该规程的早期版本明确规定只适用于管径小于或等于DN500的直埋供热管道,更新版本后虽然针对的热力管道尺寸有所增大,并补充了大管径管道的相关技术参数,但管网关键部位的管件应力分析并不全面,且我国幅员辽阔,地质条件多样,在进行热力管道受力分析时,应考虑不同的地质条件因素。现有的计算方法缺少更为系统的大管径热力管道受力分析,不能为施工人员提供更为全面、合理的大管径热力管道设计方案。本文围绕供热管道管-土之间相互作用的复杂性及热力管道受力因素的多样性,针对大管径多层结构供热管道的应力特性进行研究。分析了大管径热力管道的应力特性及稳定性特征;结合实际工况、现场勘察、土力学实验为有限元计算提供参数支持;利用有限元软件ABAQUS建立多层结构热力管道热-力耦合有限元模型,包扩热力管道的直管段、变径管段、弯头管段,并分析管道的强度及稳定性特征;考虑热力管道敷设在砂砾地层内时的特殊工况,设计并进行室内光弹实验。本文取得得主要研究成果如下:(1)利用Fourier级数法及弹性中心法,得到大管径热力管道在综合考虑外部土压力、内部运行压力、管道自重、管道内部水重力等载荷分别作用时的热力管道应力分析理论解。(2)应用弹塑性分析方法结合拉梅系数解,建立多层热力管道在富水地层内工作时,热力管道钢管、保温层、外护管的应力分布理论模型。(3)根据薄壳理论及稳定性分析方法,利用能量法建立热力管道钢管在轴向受压、径向受压、轴向及径向双向受压情况下的稳定性分析模型,计算得到钢管失稳时的临界力。(4)结合实际工程、现场勘察报告及室内土力学实验,得到热力管道管周土体的基本力学参数。建立多层热力管道的热-力耦合有限元模型,分析得到热力管道随着管径、埋深、内部压力、运行温度等参数变化时,热力管道的应力分布规律。(5)从砂砾地层的非均匀、非连续及各向异性等特点出发,设计光弹实验,利用数字图形处理技术分析热力管道在砂砾地层内时,管-土之间的相互作用关系。引入“力链”的概念,用于砂砾地层内热力管道的受力规律分析。为特殊地质条件下,热力管道的受力分析提供了新的研究方法。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU995.3
【图文】：

热力管道,供热管道,直埋敷设

小于或等于２．５ＭＰａ，在原规程的基础上对摩擦力计算、管道局部稳定验算和逡逑固定墩设计进行了调整，完善了大口径直埋热水供热管道的应力验算及各指逡逑标要求，为相关领域的科研工作及工程施工提供了理论基础，图２－１为施工逡逑现场图。逡逑邋邋Ｋｇ逡逑图２－１热力管道施工现场图逡逑２．１．２国际供热管道技术发展逡逑２０世纪８０年代初期，我国在北欧引进预制保温管道直埋敷设技术的同逡逑时，也引入了相关的管道安装技术设计方法以及受力计算及分析方法。从北逡逑欧资料看管道强度计算主要是按一维模型进行，把补偿器和弯头都简化成自逡逑由端，作用在直埋敷设供热管道上的荷载只考虑温升引起的热应力和土壤摩逡逑擦力，不考虑内压作用。应力分析时，再把内压作用考虑进去，用弹性分析逡逑法进行分析，不允许管道产生任何塑性变形。到了邋２０世纪９０年代，这些国逡逑家意识到，弹性分析方法没有反映出钢管塑性变形和破坏的关系，开始改变逡逑其设计理论和分析方法。应力分类法开始引入到供热管道直埋敷设领域。逡逑《Ｄｉｓｔｒｉｃｔ邋Ｈｅａｔｉｎｇ邋Ｈａｎｄ邋Ｂｏｏｋ》［７］根据应力分类法

剖面图,预制保温管,剖面图

２．２．１供热管道基本结构逡逑供热管道是指由保护层、保温层、管道紧密结合在一起的预制保温管，逡逑如图２－２所示。预制直埋保温管从外到内主要由四部分组成。１保护壳：采用逡逑高密度聚乙烯或玻璃钢，其中高密度聚乙烯具有较高的机械性能、耐磨损、逡逑抗冲击性能好，化学性质稳定，具有良好的抗腐蚀性和抗老化性，还可以进逡逑行焊接，便于施工；２保温层：采用硬质聚氨酯泡沫材料，硬质聚氨酯泡沫逡逑塑料是由多元醇和异氢酸盐两种液体混合发泡固化形成的，其密度小、导热逡逑系数低、保温性能好、吸水性小，并且具有足够的机械强度；３渗漏报警线：逡逑制造预制直埋保温管时在靠近钢管的保温层中埋设有报警线，一旦发生事故逡逑导致渗漏，通过报警线的传导，检修工作人员可以快速定位事故位置；４工作逡逑管：根据输送热媒的介质要求分别采用有缝钢管、无缝钢管、双面螺旋焊接逡逑钢管［８－１３］。逡逑广产逡逑＿／逡逑１邋一保护壳２—保温层３—报警线４邋一工作管逡逑图２－２预制保温管剖面图逡逑２．２．２供热管道材料性能逡逑预制保温管的生产执行国家标准《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫逡逑塑料预制直埋保温管及管件》（ＧＢ／Ｔ邋２９０４７－２０１２）邋［１４］。其中高密度聚乙烯外逡逑壳的性能如表２－１所示

示意图,直埋供热管道,应力,示意图

即管土相互作用。周围地质体对管道的力可分为压力和摩擦力两类。对管周逡逑土压力分布的研究是管道受力分析和设计的关键因素，一般将其分为垂直土逡逑压力、侧向土压力和地基反力三部分，如图２－４为一种典型的管周土压力形逡逑式。管顶垂直土压力数值的大小是管道受力分析中的一个重要问题，它在一逡逑定程度上控制着管道的截面面积，对于低压管道影响尤为突出。目前常用的逡逑垂直土压力计算方法有：土柱理论、普氏卸荷拱理论、马斯顿理论、太沙基逡逑理论气逡逑（１）垂直土压力逡逑垂直土压力Ａ逡逑地基反力心逡逑图２－４典型管土压力分布示意图逡逑（ａ）邋土柱理论逡逑管道埋置在在砂、卵石、砂卵石等土层或者河底软土层中时，由于不能逡逑－９－逡逑

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