直埋供熱管道的集中供熱安全分析

在直接埋熱管道的過程中，尤其是在大型口徑、高溫高壓的水系統中，越來越多地采用預制安裝。然而，從理論和實際工程的角度來看，預熱溫度存在一些問題。首先，管道是浪費的，采用預制安裝的管道壁厚不同于冷安裝的管道壁厚。其次，預測溫度和系統壓力與管道壁厚無關。第三，預測溫度高，不僅增加了預測能力、延長預測時間和增加預制成本，而且嚴重影響了管道的拉張能力。在冷運行中，管道牽引壓力大大超過了壓力，這嚴重危害了管道牽引壓力。最后，預測溫量和加熱壓力不考慮在實際施工過程中可能存在的縱向彎曲效應等因素的影響。在報紙的實驗中，我們研究了上述問題。1為確保加熱溫度范圍為1.1確定熱水預處理壓力考慮壓力、管徑的影響,預熱管道在初次降溫時的最大拉應力:σ2=νσt?2-αE(Τ2-Τy)(1)σ2=νσt?2?αE(T2?Ty)(1)式中:σ2為鋼管最大拉應力,MPa;υ為鋼材泊松系數;σt·2為鋼材冷水試運行壓力引起的環向應力,文獻要求,冷水試運行壓力應達到工作壓力,MPa;α為鋼材的線性膨脹系數,m/(m·℃);E為直埋保溫管鋼管的彈性模量,MPa;T2為直埋保溫管工作循環最低溫度,℃;Ty為直埋保溫管的預熱溫度,℃.為保證管道拉伸時不會屈服,則:σ2≤σs(2)σ2≤σs(2)式中:σs為鋼管的屈服極限,MPa;其余符號同上.由公式(!)和(2)可得:Τy≤Τ2+σs-νσt?2αE(3)Ty≤T2+σs?νσt?2αE(3)在不考慮其它拉應力條件下,由公式(3)可得理想的預熱上限溫度:Τy,max=Τ2+σs-νσt?2αE(4)Ty,max=T2+σs?νσt?2αE(4)1.2管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應力管道受壓縮、彎矩等載荷作用時,其截面的全部或部分受到壓應力,當最大壓應變達到一個臨界水平時便會發生局部屈曲.特別是對大口徑、高溫、高壓直埋管道,局部屈曲是受壓時最主要的失效方式.隨著壓力的增加,屈曲繼續發展,局部產生較大的變形,導致管道的局部褶皺.(JB4732-1995)《鋼制壓力容器——分析設計標準》,根據經典的彈性穩定理論,提出直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應力為:σcr=0.0625?EδR0(5)σcr=0.0625?EδR0(5)式中:σcr為直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應力,MPa;δ為鋼管壁厚,mm;R0為鋼管外半徑,mm;其它符號同上.由上述條件可知,管壁局部屈曲的可能性與管道的截面特性有關,管道的直徑越大,局部屈曲的可能性也越大,而管道的壁厚越大,局部屈曲的可能性越小.1976年Sherman提出σcr=16?E(δ2R0)2(6)σcr=16?E(δ2R0)2(6)(6)式參考了細長壓桿的臨界壓力計算公式(歐拉公式).在歐拉公式中,細長壓桿的承壓能力是長細比平方的函數.Stephens等在1991年曾通過試驗提出了另外一個臨界屈曲應力方程見(7)式.該式是在試驗數據基礎上通過擬合建立的,其中臨界屈曲應力和R0/δ成反比非線性關系.σcr=2.42?E(δ2R0)1.59(7)σcr=2.42?E(δ2R0)1.59(7)對公式(6)和(7)的計算結果和試驗數據進行了對比,計算值都比試驗值小,這表明這兩個公式偏于保守.經過計算結果對比分析,公式(5)確定的局部屈曲的許用軸向臨界壓應力最低.出于安全性考慮,局部屈曲的許用軸向臨界壓應力計算公式取式(5).通過預熱,提高安裝溫度,使得升溫壓應力不大于局部屈曲的許用軸向臨界壓應力,即:由αE(Τ1-Τy)-νσt?1≤σcr(8)αE(T1?Ty)?νσt?1≤σcr(8)式中:T1為直埋保溫管工作循環最高溫度,oc;σt·1為鋼材內壓力引起的環向應力,其余符號同上.由公式(5)和(8)可得理想條件下預熱下限溫度:Τy,min=Τ1-0.0625?EδRm-νσt?1αE(9)Ty,min=T1?0.0625?EδRm?νσt?1αE(9)1.3管道軟基壓縮沉降由公式(4)和(9)可得預熱溫度的理論范圍為:Τ1-0.0625?EδRm-νσt?1αE≤Τy≤Τ2+σs-νσt?2αE(10)T1?0.0625?EδRm?νσt?1αE≤Ty≤T2+σs?νσt?2αE(10)實際上,預熱管道還可能存在下列拉應力,這些拉應力大小難以準確預計.如:實際施工過程中,由于受地理條件限制,有些管道敷設在軟土地基上,當管道軟基壓縮沉降時,管體上部受覆土及車輛荷載或土體側向位移的作用而產生縱橫向彎曲,導致較大的彎曲拉應力;管基土質雖然好,但是由于施工不規范,一次性補償器工作坑兩側管段預熱前就形成彎曲.在沒有填實工作坑懸空管底的情況下,采用大型機械作業,覆土沖擊和覆土壓力等作用,以一次性補償器為中心的彎曲就會進一步加大,形成以工作坑為中心的縱橫向彎曲,可以證明這種縱橫向彎曲拉應力不容忽視.懸空管段越長,這種彎曲應力就越大,其次,還有交通載荷的沖擊作用造成的彎曲.在分析預熱上限溫度的時候也沒有考慮Q235材料的特性:低碳鋼在壓縮時有很高的強度極限,不會發生斷裂.而拉伸達到屈服極限時,最大切應力面發生滑移,當達到強度極限時管道斷裂,其次,Q235的冷脆現象和低應力脆斷現象等均會降低管道允許的最大拉應力.預熱的下限溫度同樣受下列因素的影響:對于承受高軸向壓應力的直管段,因壁厚偏差及屈服強度偏差,組對焊接偏差、其它幾何尺寸及材料的偏差等均會導致直埋管道局部屈曲的許用臨界軸應力明顯下降.簡言之,實際預熱上限溫度應該比理論值要低,和施工過程中的不確定因素有關.據工程總結和模擬計算分析,取10～20℃的安全余量為宜.同理,實際預熱下限溫度也要比理論下限溫度高,取5～10℃方可.2最小壁厚分析從公式10可以看出,預熱溫度與熱媒壓力、管道壁厚有關.壁厚除了滿足受壓時不發生局部屈曲外,首先應同時滿足承受內壓力作用的基本要求和大口徑管道徑向穩定性的要求,下邊就滿足這2個條件的最小壁厚進行分析.2.1確定鋼管壁厚的方法根據《火力發電廠汽水管道設計技術規定DLGJ23——81》規定,對于承受內壓力的汽水管道,管子理論計算壁厚應按下列規定計算:δ1=ΡDw200[σ]tjη+Ρ(11)δ1=PDw200[σ]tjη+P(11)式中:δ1為管子理論計算壁厚,mm;P為設計壓力,kgf/cm2;Dw為鋼管外徑,mm;[σ]tj為鋼材在設計溫度下的基本許用應力,MPa;η為基本許用應力修正系數,η值按文獻取用.其余符號同上.管子取用壁厚和理論計算壁厚,應按下列方法確定:δ=δ1+c(12)式中δ為管子取用壁厚,mm;c為管子壁厚負偏差的附加值,mm,c值按文獻取用;其余符號同上.2.2鋼管變形量的確定根據輸油和輸氣管道工程設計規范(GB50253——2003和GB50251——2003),對直埋管道橢圓變形的理論研究表明:由于柔性敷設的管道能夠利用其周圍土壤的承載能力,當變形達到鋼管外直徑的20%時,才發生整體結構破壞.但試驗表明,當變形達到鋼管外直徑的5%時,管壁開始出現屈服.為保證管道安全,規范規定管道的橢圓變形量應小于鋼管外徑的3%.管道的橢圓變形量推薦采用依阿華公式計算:ΔX≤0.03D0(13)ΔX=JΚWr3EΙ+0.061Esr3(14)Ι=δ312(15)式中:ΔX為鋼管水平方向最大變形量,m;D0為鋼管外直徑,m;J為鋼管變形滯后系數,宜取1.5;K為基床系數,按文獻取值;W為單位管長上總垂直荷載,包括管頂垂直土荷載和地面車輛傳遞到鋼管上的荷載,MN/m;r為鋼管平均半徑,m;I為單位長度管壁截面的慣性矩,m4/m;Es為回填土的變形模量MPa,按文獻取值;其余符號同上.2.2預熱溫度的安全分析管壁的最小厚度要同時滿足內壓和徑向穩定性條件且能使預熱溫度存在較大的安全范圍.在安全預熱溫度范圍內,既不會發生升溫壓應力使管壁局部屈曲,也不會產生初次降溫后拉斷管道、撕裂補償器等嚴重事故.計算框圖如圖13最大壁厚的確定在設計壓力分別為2.5MPa,1.6MPa,1.0MPa下,計算確定滿足預熱安裝直埋管道安全性要求的最小管道壁厚,以及對應最小壁厚的理想最高預熱溫度和最低預熱溫.DN600-DN1200的計算結果見圖2～圖3,圖中數字是對應管徑的管壁厚度.表1為滿足安全性要求的最小壁厚和目前工程常用壁厚的對照表.從圖2和圖3可知,設計壓力和壁厚對預熱下限溫度的影響較預熱上限溫度大.從圖2可知,相同公稱直徑的管道,設計壓力越小,壁厚越薄.從圖2,比較1.6MPa、1.0MPa曲線可知,相同規格的管道,設計壓力越小,預熱上限溫度越高,下限溫度越低.從圖3可知,公稱直徑和內壓力相同的管道,隨管壁厚度的增加,預熱上限溫度升高,下限溫度降低,預熱溫度范圍變大,預熱平均溫度降低.說明壁厚加大,滿足安全性的儲備加大,換言之,是以增加壁厚獲得降低預熱溫度的效果.目前,我國大口徑預熱直埋供熱工程中采用的壁厚見表1,顯然,既浪費了管材,也浪費了能源,還延長了預熱時間.由表1可知,采用最小壁厚平均能節省鋼材30%左右.4預熱上限溫度只按照循環中間溫度來計算預熱溫度缺乏科學性.預熱溫度應綜合考慮各種影響因素:熱媒溫度,熱媒壓力、管道壁厚、管基性質、施工質量、管材特性等.只有同時滿足了各種安全條件要求,大口徑供熱管道預熱安裝才是安全的、可靠的.增大壁厚雖然可以提高預熱上限溫度,但提高的并不多.這說明增大壁厚解決降溫斷裂并不經濟有效.因此,雖然工程采用管壁厚度比本文最小壁