直埋蒸汽管道折角管段应力计算

2020-09-08于洋洋

煤气与热力 2020年8期

钱琦，周游，于洋洋，石磊

(1.中国城市建设研究院有限公司，北京100120；2.中国城市建设研究院有限公司东北分院，黑龙江哈尔滨150006；3.哈尔滨工业大学建筑设计研究院，黑龙江哈尔滨150001)

1 概述

蒸汽管道直埋敷设占地少，对城市景观影响小，社会环境效益好。另外，蒸汽管道直埋敷设施工速度快，还能减少建材用量和土建费用，具有保温效果好、热损耗低等优点。近年来，在集中供热领域得到广泛应用。本文提出直埋蒸汽管道折角管段的布置方案，采用Bentley AutoPIPE管道分析软件对不同布置方案的设计参数范围进行校核计算。

2 折角管段布置方案

布置方案1：在靠近弯管一侧设置内固定支座A，远离弯管一侧设置波纹管补偿器、内固定支座B，见图1。内固定支座A、B间距应符合补偿器安装要求，工作管热伸长量应小于波纹管补偿器的轴向补偿量。布置方案2：在弯管两侧分别设置内固定支座且两侧臂长相等，形成L形自然补偿器结构，见图2。

图2 布置方案2

3 应力校核方法

① 一次应力

工作管在工作状态下，由内压力、自重和其他持续外载产生的轴向应力之和(即一次应力)应满足DL/T 5366—2014《发电厂汽水管道应力计算技术规程》式(7.3.3)的规定：

σL≤σt,all

式中σL——管道在工作状态下，由内压、自重和其他持续外载产生的轴向应力之和，MPa

p——设计压力，MPa

di——管子内直径，mm

do——管子外直径，mm

i——应力增加系数

MA——自重和其他持续外载作用在管道横截面上的合成力矩，N·mm

W——管道抗弯矩截面系数，mm3

σt,all——钢材在设计温度下的许用应力，MPa，本文设计温度300 ℃下取101 MPa

应力增加系数i按DL/T 5366—2014附录B表B.0.1计算：

式中h——尺寸系数

δn——管子的壁厚，mm

ρ——弯管曲率半径，mm

r——管子平均半径(管子内半径与外半径的算术平均值)，mm

管道抗弯矩截面系数W的计算式为：

② 二次应力

管道在工作状态下，热胀应力范围(即二次应力)应符合DL/T 5366—2014式(7.3.5-1)的规定：

σE≤f[1.2σ20+0.2σt,all+(σt，all-σL)]

式中σE——热胀应力范围，MPa

MC——热胀引起的合成力矩范围(按全补偿值和钢材在20 ℃时的弹性模量计算)，N·mm

f——热胀应力范围的减小系数

σ20——钢材在20 ℃时的许用应力，MPa,本文取245 MPa

管道在工作状态下，当一次应力、二次应力与设计温度下许用应力的比(以下分别简称一次应力比、二次应力比)小于等于1时，认为安全。

4 应力计算分析

4.1 模拟方法

项目地点位于陕西杨陵区。利用Bentley AutoPIPE管道分析软件建立折角管段模型[1]。设计压力为1.6 MPa，设计温度为300 ℃。工作管为螺旋缝双面埋弧焊接钢管(20钢)，规格分别为D273×6、D325×8、D426×8、D529×9、D630×9，分别对应DN 250 mm、DN 300 mm、DN 400 mm、DN 500 mm、DN 600 mm。弯管曲率半径为3倍管道外直径，热胀应力范围的减小系数f取0.9。模型验算标准采用ASME B31.1《动力管道》。蒸汽管道采用外滑动内固定钢套钢预制直埋保温管，保温层采用离心玻璃棉+双层反射铝箔。DN 250、300、400、500、600 mm工作管的单位长度保温材料自重分别取60、95、140、200、240 N/m。

4.2 布置方案1

内固定支座B与弯管水平间距为50 m，弯管与内固定支座A的水平间距为0.4 m，采用轴向外压型波纹管补偿器。DN 250、300、400、500、600 mm轴向外压型波纹管补偿器的轴向刚度分别取356、492、606、578、996 N/mm。布置方案1弯管、内固定支座A的一次应力比、二次应力比随折角(5°～90°)的变化分别见图3、4。

由图3、4可知，折角为5°～90°时，布置方案1弯管、内固定支座A的一次应力比、二次应力比均小于1，说明折角为5°～90°时布置方案1的弯管、内固定支座A安全。当折角大于60°后，弯管、内固定支座A的一次应力比、二次应力比随着折角的增大明显增大。因此，考虑弯管、内固定支座A的安全，折角宜控制在60°以下。