下载文档原格式
实用文库汇编之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、摩擦力及管逍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泄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、锚囿段[5-8]o①过渡段过渡段的一端为固泄端（指固左点、驻点或锚固点），列一端为活动端（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，随着温度的不断升髙，管段活动截面从活动端逐渐移向固左端，由于管段与周围上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左端，摩擦阻力增加至与温升产生的热应力相等，该点管道截而受力平衡，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泄端的最大值。
②锚固段锚固段由于受上壤摩擦力的作用，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。
哈尔滨Ｊ下程大学硕士学位论文
口＝１．２ｘ１０～ｍ／ｍ－℃，供水温度疋＝１３０℃，回水温度瓦＝８０℃，管道安装温度瓦＝５℃，管内介质工作压力Ｐ＝１．６ＭＰａ．外径见＝７２０ｍｍ，内径见＝７００ｍｍ。
１．管道内压应力
分析管道内压力产生的应力时，假设管道的内压作用在管道内没有压力损失，即管道内的内压力作用是定值。
数值分析时的模型可以简化为平面圆环的应力分析问题。
又因为管道是轴对称的，为了方便分析不同管径的内压应力可以取管道的１／４作为几何模型（见图２．６），单元模型采用结构实体单元ｐｌａｎｅ４２，网格为Ｑｕａｄ４ｎｏｄｅ。
图２－６管道的几何模型图
ＡＮＳＹＳ分析命令流如下：
，ＰＲＥＰ７
ＥＴ，ｌ，ＰＩ，ＡＮＥ４２
ｈｄｍＭＰ，１．０
ＭＰＤＡＴＡ，ＥＸ，ｌ，，２ｅ１１
ＭＰＤＡＴＡ，ＰＲＸＹ，ｌ一０３
ＣＹＬ４，０，０，０．３５，０，０．３６，９０
图２－７内压应力等效变形图
图２－８内压应力等效应力图
应力分析结果：见图２．７内压应力等效变形图，图２．８内压应力等效应
图２－９径向应力分布图
图２－１１周向应力分布图。
直埋供热管道设计分析摘要直埋供热管道的设计要按照《城镇直埋供热管道工程技术规程》的条文规定来执行。
本文是通过对规程的理解，根据规程中的某些简化公式，对实际直埋供热管道的应力验算、保温结构与性能进行了简单分析。
关键词直埋；供热管道；设计1 概述同传统的地沟敷设相比，直埋供热管道敷设方式具有很多优点，比如工程施工时间短、施工占地面积少、管网使用寿命长、人工维护量小等。
直埋敷设非常适合目前城市及地方建设的要求，其技术的的发展越来越成熟，在工程中也越来越多地被采用。
本文是对《城镇直埋供热管道工程技术规程》（以下简称为规程）的一点理解。
1.1 规程适用条件本规程适用于公称直径≤DN500、供热介质温度≤150℃的钢制内管、保温层、保护外壳结合为一体的预制保温直埋热水管道。
规程的适用条件有两个界限，即管径和温度，且必须同时满足这两个条件。
规程总则条文说明中的解释：管径：因为在管道进行热伸长计算、强度计算中对荷载作了简化处理，计算结果对大管径管道来说，偏差较大，其性能是不安全的，但是对小管径管道影响不大；温度：供热管网的安全性和经济性与设计温度密切相关，直埋供热管道保温材料的使用寿命、耐温能力也是根据设计温度来选择的，这个温度界限在强度方面是安全的。
1.2 直埋供热管道的布置根据各用户点提供的接管点条件，在管网总平面图上统筹布置管道，直埋供热管道与其它管线的间距要满足相关规定的要求。
直埋供热管道还有一些要求，如分支管三通弯头的保护、阀门附件、排气泄水、管道覆土深度等，请按照规程中的条文要求来执行。
1.3 直埋供热管道的敷设方式直埋供热管道敷设分无补偿敷设和有补偿敷设两种。
管道无补偿敷设具有施工工期短、施工操作简便、投资省的优点；有补偿敷设相对于无补偿敷设来说，工期较长、占地较多、施工操作较复杂、投资较大。
因此，我们在布置满足安全的直埋供热管道时，先要考虑无补偿敷设，无补偿敷设不能满足要求时再考虑有补偿敷设。
现在，在直埋供热管网工程实例中，使用无补偿敷设的越来越多。
热力管道设计中的应力分析摘要：在对热力管道的工程方案设计中，进行分析时要充分考虑管线中的应力变化，在对应力分析的过程中对可能存在的问题加以总结，最后给出了有关在热力管线工程设计中相应的处理对策，并对具体的对策进行了讨论与剖析。
关键词：热力管线；应力分析；压力引言热力管线工程设计中，主要的应力范围包括管线的内部和外面以及由于压力变化所导致的膨胀等，因此在热力管线工程设计中应力是相对地较为繁琐繁杂的，而在对应力分析进行参数测算时也需要充分考虑管线所遭受的不同外界环境产生的应力的影响，及其对热力管线的正常使用所产生的限定影响。
1管道应力分析在热管设计中，一般都会有很多分支结构，有些分支结构是由很多环形结构构成的，一般都是按照三维方向来设计的，所以在热管的应力分析中，首先要考虑到热管内部的走向，然后再根据三维设计来计算。
1.1管系荷载的确定管系所承担的荷载一般可分成四种：（1）第一类的热力管线工程设计中管网本身所承担的荷载与工作温度，热力管线在工作中所承担的压力与工作温度荷载是不同的，通过热力管线的参数测算后确定最不利的一组加以处理，避免以后由于上述问题妨碍了热力管线的正常工作[1]。
（2）第二类是管系的承载力，它的内容包括：管内承受的基本载荷，管自身的自重，管中的外力和内力，以及其它的载荷。
（3）第三类是管线内的温度应力膨胀和端点位置变化，热管线在架设和运营过程中受到管道的高温变化，从而使管线内热胀冷缩变化，由于在热力管线内受到高温荷载的状态下，管线边界和设备终端会因为高温的改变而产生偏移，所以需要对热力管线端点位置变化加以控制。
（4）第四类情况就是热管线设计中要避免产生偶然性负荷，当然还有由于气候因素，地质条件等各种因素的共同影响而对管线所形成的冲击力，但是这种负荷的产生一般都是偶然性的，而且概率也不会很大，所以一般情况下以上的这些问题都不会因为同时存在而对热力管线产生危害。
1.2荷载工况在计算热力管道的参数时，既要考虑到设备的安装和工作状况，又要在管道的安装中首先要考虑到在常温下进行。
直埋供热管网穿越市政道路方案应力分析摘要：本文针对直埋供热管网穿越市政道路的方案应力进行了详细分析。
通过归纳市政道路方案设计中的常见问题和成功案例，总结了直埋供热管网与市政道路相互影响的关键因素。
随后，基于有限元分析方法，对不同方案下的应力分布进行了模拟计算，并对比了各方案的安全性和稳定性。
归纳了在实际工程中应注意的问题和解决方案，并展望了未来在直埋供热管网穿越市政道路方案设计中的发展方向。
关键词：直埋供热管网；穿越市政道路；方案引言：随着城市供热体系的不断完善和规模扩大，直埋供热管网的建设越来越普遍。
然而，在市政道路交叉处进行供热管网的穿越，由于地下空间有限和管网应力复杂等原因，给工程设计带来了一定的挑战。
因此，对直埋供热管网穿越市政道路的方案应力进行详细分析，具有重要的理论和实践意义。
1.市政道路方案设计中的关键因素1.1直埋供热管网与市政道路的相互影响在直埋供热管网与市政道路相互交叉的设计过程中，需要考虑以下因素。
直埋供热管网的布置应尽量避免对市政道路交通流畅性造成影响。
管网的施工和维护需要充分考虑市政道路的使用需求，以保证城市交通的正常运行。
管网的跨越设计需满足市政道路的安全要求，防止管道设施对行车、行人或其他市政设施的潜在危险。
1.2市政道路的结构特点与地下管线布置限制市政道路作为城市交通基础设施的重要组成部分，具有一定的结构特点和地下空间限制。
在设计直埋供热管网穿越市政道路方案时，需要考虑以下因素。
由于市政道路承载了大量行车和行人活动，直埋供热管网的施工与维护应尽可能减少对道路通行的影响。
市政道路下方还可能布置有其他管线，如给水、排水等，需要充分考虑这些管线之间的相互影响和合理布局，避免冲突和破坏。
也需要考虑市政道路的地下设施，如电缆、通信线等，以确保直埋供热管网和其他设施之间的安全运行和协调发展。
2.应力分析的模拟计算方法2.1有限元分析方法的原理和应用有限元分析是一种广泛应用于工程结构力学领域的数值计算方法。
实用文库汇编之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
在供暖期，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有所不同。
3 短过渡段的工作过程
当实际过渡段长度小于极限过渡段长度时，应注意分析各种工作过程中热位移、摩擦力及管道应力等各种参数的变化及与相邻过渡段之间的相互影响。
一段直埋敷设供热管段(见图2)，两端均为活动端，A端为轴向型补偿器，B端为竖向弯头，在立管上设置复式拉杆型波纹管补偿器。
点C为初次升温运行时的驻点。
为简便分析，假定升温、降温的温差均为△t。
①初次升温时的工作状态
初次升温时，管道的工作压力在A端产生压应力σ1(单位为Pa)，在B端产生拉应力σ2(单位为Pa)。
随着管道工作温度的升高，线段GH为管段AC升温伸长时与周围土壤之间的摩擦力产生的应力曲线，线段HI为管段CB升温伸长时与周围土壤之间的摩擦力的应力曲线。
经比较，温度应力曲线DEF上的任意值均大于摩擦力产生的应力曲线GH及HI上的对应值，交点H对应管段驻点C，因此曲线GHI为管段AB初次升温时的应力及应变分布线。
图2 短过渡段应力等参数的分布
Fig．2：Distribution of stress and other parameters of short
transition pipeline section
②初次降温时的工作状态
初次降温时，由于温度下降、管道收缩时摩擦力产生的应力曲线分别为线段GJ和IJ，温度应力曲线为GHI的平行线XYZ。
经比较，温度应力曲线XYZ上的任意值均大于摩擦力产生的应力曲线GJ及IJ上的对应值，因此曲线GJI为管段AB初次降温时的应力及应变分布线。
交点J对应管段节点C′，因此降温运行时管道驻点移至点C′。
此时管段AC′收缩量为点G、J、N、Y、X、G围成的面积，管段C′B收缩量为点I、J、N、Z、I围成的面积。
③再次升温时工作状态
管道再次升温时温度应力曲线为GJI的平行线DST。
管道升温伸长时摩擦力产生的应力曲线分别为线段GH及HI，交点H再次对应管段节点C，因此再次升温运行时管道驻点又移至点C。
温度应力曲线DST上的任意值均大于摩擦力应力曲线GH及HI上的对应值，因此曲线GHI为管段AB再次升温时的应力及应变分布线。
此时管段AC伸长量为点D、M、H、G、D围成的面积，管段CB伸长量为点H、M、S、T、I、H围成的面积。
④循环工作状态
由以上分析可知，管段在循环工作过程中驻点位置在点C、C′间移动，管段的部分伸长量从A侧转移至B侧。
降温时管段AC′增加的收缩量(图2中降温变形量)当再次升温后会增加到管段CB的伸长量(图2中升温变形量)上。
因此会导致管段A端的轴向型补偿器升温变形后，在降温时不能回到初始状态，而是被拉长，而管段B端的复式拉杆型补偿器升温变形后，在降温时也同样不能回到初始状态，而是由于位移量的增大，偏向右侧。
这样循环工作若干次后，会导致A端的轴向型补偿器处于受拉状态，直至破坏，而B端的复式拉杆型补偿器则会因为超过额定补偿量而损坏。
4 结语
由于实际工程中影响管道布置的因素很多，管道布置的类型各不相同，且过渡段内管道作用力、应变、应力及位移的变化情况较复杂。
若管道布置不合理，会对管件造成不同程度的破坏，从而会影响到整个管网的正常运行，造成不必要的损失。
因此设计人员在进行直埋供热管道布置时，不仅应计算管道最高循环工作温度下的热位移以及对管道进行受力计算及应力验算，还应尽量避免过多设置补偿器而形成过渡段较多的情况，并核算分析直埋管道在工作温度循环变化过程中管道应力、摩擦力的变化，以免造成管件的破坏，影响管道的安全性。
