摘 要

摘　要：針對一側活動端為彎頭，另一側活動端為波紋管補償器的水平轉角管段，對管段狀態(tài)(錨固段、過渡段)、過渡段存在駐點的判定方法進行了探討。關鍵詞：直埋供熱管道； 水平轉角管

摘　要：針對一側活動端為彎頭，另一側活動端為波紋管補償器的水平轉角管段，對管段狀態(tài)(錨固段、過渡段)、過渡段存在駐點的判定方法進行了探討。

關鍵詞：直埋供熱管道；  水平轉角管段；  錨固段；  過渡段；  駐點

Judgment Methods of State and Stagnation Point Existence of Directly Buride L-type Pipe Section

Abstract：For L-type pipe section with bend at one activity end and bellows type expansion joint at other end，the judgment methods of pipe section state (fully restrained section and partly restrained section)and the existence of stagnation point in partly restrained section are discussed．

Keywords：directly buried heat-supply pipeline；L-type pipe section；fully restrained section；partly restrained section；stagnation point

 

直埋供熱管道駐點是兩端為活動端的直線管段，當管道溫度變化且今線管道產生朝向兩端或背向兩端的熱位移，管道上位移為零的點。駐點易因溫度、土壤摩擦力等的變化發(fā)生移動。根據管子及附件(補償器、閥門、三通等)的強度要求，考慮工程安全，需要設置固定點。

考慮經濟性，通過理論計算，將供熱管道上的駐點設置為固定點，可有效減小固定支座所受推力及尺寸，降低工程造價^[1-2]。本文對直埋水平轉角管段狀態(tài)(錨固段、過渡段)及過渡段存在駐點的判定方法進行探討。

1　供熱管道受力分析

①外力

供熱管道所受外力主要包括：盲板力(由管道內壓產生的力)、過渡段受到的土壤摩擦力(管道位移變形受到土壤約束產生的力)、活動端位移產生的作用力。

盲板力Fn的計算式為：

 

式中Fn——盲板力，N

A——內壓作用有效截面積，m²

p——供熱管道工作壓力，Pa

d——工作鋼管內直徑，m

過渡段受到土壤摩擦力Fz的計算式為：

Fz＝FminLz              (2)

式中Fz——過渡段受到的土壤摩擦力，N

Fmin——單位長度直埋保溫管外殼與土壤的最小摩擦力，N／m

Lz——過渡段長度，m

活動端位移產生的作用力主要包括：彎頭彈性力、補償器補償位移產生的力(波紋管補償器彈性力、套筒補償器摩擦力、旋轉補償器扭力)，波紋管補償器彈性力Ft的計算式為：

Ft＝kaLzDt             (3)

式中Ft——波紋管補償器彈性力，N

k——波紋管剛度，N／m

a——鋼材的線性膨脹系數，K^-1

Dt——運行溫度與安裝溫度之差，℃

②內力

內力指由于溫度、壓力發(fā)生變化，供熱管道變形受到外力約束而產生的力。

對于錨固段，當變形完全被外力(土壤摩擦力等)約束而未得到釋放時，產生的內力Fa的計算式為：

Fa＝EaDtAp            (4)

式中Fa——對于錨固段，當變形完全被外力約束而未得到釋放時產生的內力，N

E——鋼材彈性模量，Pa

Ap——工作鋼管管壁截面積，m²

2　直埋水平轉角管段模型

本文分析對象為一側活動端為補償彎頭，另一側活動端為波紋管補償器的直埋水平轉角管段，設定管段中存在不發(fā)生位移的點A，管段模型受力分析見圖1。

 

圖中L1——波紋管補償器與點A的距離，m

L2——點A與彎頭的距離，m

Fz,1——點A左側過渡段受到的土壤摩擦力，N

Fx,2——點A右側過渡段受到的土壤摩擦力，N

Fn,c——波紋管補償器受到的盲板力，N

Fn,b——彎頭受到的盲板力，N

F——彎頭彈性力(土壤對彎頭的反作用力)，N

Fn,c的計算式為：

Fn,c＝p(Ac-A)          (5)

式中Ac——波紋管補償器有效截面積，m²

Fn,b的計算式為：

Fn,b＝pA              (6)

3　管段模型狀態(tài)及駐點存在判定

　　①管段模型狀態(tài)判定

判定管段是否為錨固段的依據為管段變形是否完全被外力約束，當變形完全被約束時，管段處于錨固狀態(tài)，此時錨固段承受的內力達到最大值Fa。設管段模型存在錨固段，其中錨固段左右兩側過渡段長度分別為Lm、Ln，管段模型的受力分析見圖2。

 

當管段存在錨固段時，對于錨固段左側、右側有：

Fa＝Fz,m+Fn,c+Ft＝FminLm+p(Ac-A)+kaLmDt       (7)

Fa＝Fz,n-Fn,b+F＝FminLn-pA+F                 (8)

式中Fz,m、Fz,n——管段m、n受到的土壤摩擦力，N

將式(7)、(8)相加，得到：

2Fa＝Fmin(Lm+Ln)+p(Ac-A)+kaLmDt-pA+F        (9)

若將L1+L2替代Lm+Ln，L1替代Lm代入式(9)，則有：

F¢＝FminL+p(Ac-Ap)+kaL1Dt-pA+F

F¢>2Fa                       (10)

則式(10)可作為判別管段模型存在錨固段的判別式。根據工程經驗：彎頭彈性力、補償器彈性力相對于過渡段受到土壤摩擦力可忽略不計，因此可將式(10)簡化為：

F¢＝FminL+p(Ac-2A)

F¢>2Fa                 (11)

管段整體為過渡段的判別式為：

F¢≤2Fa               (12)

②駐點存在判定

判定管段模型存在駐點應同時滿足兩個條件：條件l：管段整體為過渡段；條件2：駐點位移為零。在滿足條件1下，判定是否滿足條件2。駐點位移為零，即受到的合力為零。若點A為駐點，則有：

Fz,1+Fn,c+Ft＝Fz,2-Fn,b+F         (13)

仍忽略Ft、F，式(13)可簡化為：

FminL1+pAc＝FminL2               (14)

將L2=L-L1代入式(14)，可得：

pAc＝Fmin(L-2L1)                (15)

由此可得到，條件2的判別式為：

pAc<FminL                      (16)

當同時滿足式(12)、(16)時，管段模型存在駐點。由式(15)可得到，駐點與波紋管補償器的距離L1的計算式為：

 

4　結語

在供熱管道設計過程中判定管道狀態(tài)、確定駐點位置十分重要，將固定支座設置于駐點可大幅降低固定支座承受的推力，從而降低工程造價。

 

參考文獻：

[1]馮繼蓓，孫蕾，梁永建．直埋水平轉角管段駐點位置的影響因素[J]．煤氣與熱力，2006，26(2)：56-58．

[2]李風雷．直埋敷設中減少補償器和固定支座的方法[J]．煤氣與熱力，2007，27(1)：64-66．

 

本文作者：常俊志  單既國  李宏俊  劉巍

作者單位：中國市政工程華北設計研究總院

  青島能源設計研究院有限公司