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
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。
4.2 验算结果
其他条件不变,外护管工作循环最高温度取95 ℃时,不同弯头折角下的平均计算臂长、综合应力见表1。
表1 外护管工作循环最高温度取95 ℃时不同弯头折角下的平均计算臂长、综合应力
续表1
由表1可知,随着弯头折角减小,水平转角管段两侧的计算臂长逐渐减小,综合应力先增大后减小。当夹角达到25°时,综合应力达到最大(646 MPa),然后逐渐减小。弯头折角为0°~5°、80°~90°弯头应力小于3倍钢材许用应力(375 MPa),满足强度验算条件,而其他弯头夹角不满足验算条件。
4.3 处理方法
当不满足强度验算条件时,不宜采取无补偿方式敷设,需在外护管设置补偿器、固定支座等设施,或者将折角转化为Z形、L形、方形管段。