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直埋供热管道应力及热位移的分析2006-10-31 摘要：分析直埋敷设供热管道在工作温度循环变化过程中管道应力、热位移等参数的变化特点。通过分析长直管段和短过渡段管段的工作过程中应力、热位移等参数的变化，研究了直埋敷设管道热位移对管道安全的影响。关键词：直埋管道；供热管道；应力；热位移　　近年来随着城市供热管网的不断发展，热水管道直埋技术日益成熟，并越来越多地应用于城市供热工程中[1-3]。直埋敷设管道中各点的热位移、摩擦力及管道应力等参数随供热管道升温、降温发生变化[4、5]，由于管道布置形式不同，管道最不利的状态不一定为管道达到最高工作温度及管段处于锚固段时。有些管段因增设补偿器，使管段处于过渡段内工作，但由于管段的各种参数随着供热管道升温、降温发生变化，从而导致工作状态偏离设计状态，对管件造成破坏。本文通过分析某种布置的管段应力、热位移的变化研究直埋管段热位移对管道安全的影响。1 直埋敷设管道的管段类型　　直埋敷设供热管道根据管道变形及应力分布特点一般可分为过渡段、锚固段[5-8]。　　①过渡段　　过渡段的一端为固定端(指固定点、驻点或锚固点)，另一端为活动端(补偿器或弯头)，当管道温度变化时，能产生热位移。　　在过渡段的活动端处，温度变化时管段基本处于自由伸缩状态，随着温度的不断升高，管段活动截面从活动端逐渐移向固定端，由于管段与周围土壤之间的摩擦力作用，管段热伸长受阻。随着管段活动截面逐渐接近固定端，摩擦阻力增加至与温升产生的热应力相等，该点管道截面受力平衡，管段不能再向活动端伸长，从而进入自然锚固状态，该点即为自然锚固点。过渡段中由于各点都有不同程度的热位移，热应力得到部分释放，因此过渡段的轴向热应力从活动端的零值逐渐增加至固定端的最大值。　　②锚固段　　锚固段由于受土壤摩擦力的作用，管段热伸长受阻，当管道温度发生变化时，不产生热位移。在锚固段内管道的热伸长完全转变为轴向应力留存在管壁内，使该管段应力达到最大值。2 长直管段的工作过程　　在??暖期，直埋敷设供热管道由安装温度逐渐上升至工作时的最高温度，并在工作温度下运行。在非供暖期或检修期，管道温度下降至最低温度。因此直埋敷设供热管道的工作过程是一个升温、降温的循环过程。　　为分析直埋敷设供热管道在工作过程中各种参数的变化，本文利用图解法分析理想直埋敷设供热管道初次升温、初次降温及循环工作时的工作状态。　　一段直埋敷设长直管段(见图1)，点A为活动端，点B为自然锚固点。为简化分析，设定管道工作循环最低温度与安装温度相等，且不考虑补偿器的阻力，并认为该管段在弹性状态下工作。点A至点B的长度为Lc。图1中横坐标为长度L(单位为m)，纵坐标为摩擦力F(单位为N)、应力σ(单位为Pa)、应变ε、温升t(单位为℃)等参数。此主题相关图片如下：图1 长直管段应力等参数的分布Fig．1 Distribution of stress and other parameters of long straight pipeline section　　①初次升温时的工作过程　　图1中CD为升温(温度升高△t)后管段的温度应力曲线，OH′D为管道升温膨胀时管道与周围土壤之间摩擦力产生的应力曲线，2条曲线在点D相交。在点D左侧，摩擦力产生的应力小于温度应力，管段AB可产生变形。OH′D也为第1次温升后过渡段的应力及应变分布线。点D、C、D、H′、O围成的阴影部分的面积为过渡段第1次温升的伸长量。此主题相关图片如下：　　②初次降温时的工作过程　　管道降温(温度下降△t)后，该管段温度应力分布曲线为线段OH′D的平行线FHE。线段OHG为管道降温收缩时管道与周围土壤之间摩擦力产生的应力曲线，与升温时摩擦力产生的应力曲线大小相等，方向相反，即与OH′D对称于OL轴。在点H左侧，摩擦力产生的应力小于温度应力，管段AB′可产生收缩变形。在点H右侧，摩擦力产生的应力大于温降产生的应力，管段B′B不能收缩。曲线OHE即为该管段第1次降温时的应力及应变分布线。由图1可知，当管道温度下降至安装温度时，点O、H、F、O围成的面积为点O、H′、D、C、O围成的面积的1/2，即升温时的热伸长在降温时仅能收缩1/2，而且参与收缩的管段也仅为整个过渡段长度的1/2(即LAB′=LB′B)。　　③循环工作过程　　当管道再次升温(温度升高△t)后，该管道温度应力曲线为OHE的平行线CH′D，而管道由于温升摩擦力产生的应力曲线仍为OH′D。在图1中点H′左侧，摩擦力产生的应力小于升温产生的应力，管段AB′可受热伸长。在图中点H′右侧，摩擦力产生的应力等于温升产生的应力，管段B′B不能伸长。由以上分析可知，弹性工作状态下管道初次升温、降温与循环工作时的状态