摘　要：針對(duì)某直埋蒸汽管道工程，對(duì)工作管管材、壁厚的選擇與計(jì)算方法進(jìn)行探討，采用Bentley AutoPIPE管道分析軟件對(duì)計(jì)算管段的工作管進(jìn)行了應(yīng)力計(jì)算與分析。

關(guān)鍵詞：直埋蒸汽管道；  工作管；  應(yīng)力計(jì)算

Stress Calculation and Analysis of Directly Buried Steam Pipeline

Abstract：The selection of working pipe material and wall thickness and its calculation method in a directly buried steam pipeline engineering are discussed．The stress calculation and analysis of working pipe in calculation of the pipe section are performed by using Bentley AutoPIPE software．

Keywords：directly buried steam pipeline；working pipe；stress calculation

直埋蒸汽管道的研究始于20世紀(jì)90年代初期，是在直埋熱水管道技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和規(guī)劃部門對(duì)城市景觀越來(lái)越嚴(yán)苛的要求，近年來(lái)直埋蒸汽管道運(yùn)用較為廣泛[1-2]。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用Bentley AutoPIPE管道分析軟件對(duì)直埋蒸汽管道工作管的應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行探討。

1　工程概況

以無(wú)錫市某蒸汽熱網(wǎng)工程為例進(jìn)行直埋蒸汽管道工作鋼管的應(yīng)力計(jì)算與分析。輸送介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，蒸汽管道設(shè)計(jì)參數(shù)為：設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度350℃，設(shè)計(jì)質(zhì)量流量128t／h。工作參數(shù)為：工作壓力1.1～1.3MPa，工作溫度310℃。工作鋼管外直徑720mm，屬壓力管道GB2類。

預(yù)制直埋蒸汽保溫管采用外滑動(dòng)內(nèi)固定型，截面結(jié)構(gòu)見圖1。

隔熱環(huán)可選用硅酸鋁板，保溫層可采用軟質(zhì)材料，隔熱環(huán)、保溫層與工作鋼管緊密結(jié)合，捆綁成一個(gè)整體，并與工作鋼管在熱膨脹時(shí)同時(shí)運(yùn)動(dòng)。外護(hù)鋼管與保溫層之間留有空氣層，既起到進(jìn)一步保溫作用，又是排潮的良好通道。外護(hù)鋼管設(shè)計(jì)參數(shù)：計(jì)算最高溫度95℃，安裝溫度5℃，計(jì)算壓力0.2MPa，外直徑1220mm。由圖1可知，對(duì)于外滑動(dòng)內(nèi)固定型直埋蒸汽管道，直埋敷設(shè)條件下，工作鋼管可視為在封閉的外護(hù)鋼管內(nèi)的架空敷設(shè)，工作鋼管采用有補(bǔ)償安裝方式，外護(hù)鋼管采用無(wú)補(bǔ)償冷安裝方式。因此，架空敷設(shè)管道的應(yīng)力計(jì)算方法適用于直埋蒸汽管道工作鋼管。

2　工作鋼管管材及壁厚的選擇與計(jì)算

①直管段

直管段計(jì)算壁厚ds,d的計(jì)算式為：

ds,d=ds+d1+d2             (1)

ds=pdo/[2(sall,th+pg)]    (2)

式中ds,d——直管段計(jì)算壁厚，m

ds——直管段最小壁厚，m

d1——制造偏差，m，取0.0008m

d2——腐蝕裕量，m，取0.0015m

p——工作鋼管設(shè)計(jì)壓力，Mpa

do——直管段外直徑，m

sall,t——設(shè)計(jì)溫度下鋼材的許用應(yīng)力，Mpa

h——許用應(yīng)力修正系數(shù)，無(wú)縫鋼管取1.0，螺旋焊縫鋼管取0.9

g——溫度修正系數(shù)，取0.4

目前，供熱行業(yè)普遍采用的鋼材為Q2358、20號(hào)，設(shè)計(jì)溫度(350℃)下，Q2358鋼材的許用應(yīng)力sall,t為77MPa，20號(hào)鋼材的許用應(yīng)力sall,t為96MPa。由式(1)、(2)計(jì)算得到的Q2358螺旋焊縫鋼管、20號(hào)螺旋焊縫鋼管、20號(hào)無(wú)縫鋼管直管段計(jì)算壁厚見表1。

由表1可知，20號(hào)無(wú)縫鋼管的計(jì)算壁厚最小，Q2358螺旋焊縫鋼管的計(jì)算壁厚最大，20號(hào)螺旋焊縫鋼管的計(jì)算壁厚居中。綜合考慮鋼管性能、造價(jià)，該工程選用20號(hào)螺旋焊縫鋼管，考慮鋼管制造過(guò)程中的人為因素后，公稱壁厚取12mm。

②彎頭

彎頭的曲率半徑為1.5倍公稱直徑，彎頭壁厚增大系數(shù)取1.25，即彎頭的最小壁厚為直管段最小壁厚與彎頭壁厚增大系數(shù)的乘積，仍考慮制造偏差s1、腐蝕裕量s2，彎頭的計(jì)算壁厚為12.78mm。因此，該工程彎頭的壁厚選取13mm，考慮彎頭受力較大，選取20號(hào)無(wú)縫彎頭。

3　應(yīng)力計(jì)算與分析

3.1　分析對(duì)象

計(jì)算管段的平面布置見圖2，圖中數(shù)值單位為m。90°彎頭兩側(cè)設(shè)置分別設(shè)置1個(gè)導(dǎo)向支架(每個(gè)導(dǎo)向支架距彎頭6m)、1個(gè)固定支架。圖2中僅給出了固定支架、波紋管補(bǔ)償器，導(dǎo)向支架、滑動(dòng)支架的布置方式見圖3，圖3中沿橫向方向滑動(dòng)的支架為導(dǎo)向支架，沿橫向和縱向方向滑動(dòng)的支架為滑動(dòng)支架。每?jī)蓚€(gè)固定支架間，設(shè)置5個(gè)滑動(dòng)支架。

3.2　應(yīng)力計(jì)算軟件介紹

采用Bentley AutoPIPE管道分析軟件對(duì)計(jì)算管段進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算與分析。Bentley AutoPIPE管道分析軟件是一個(gè)全面集成的管道分析與設(shè)計(jì)解決方案的軟件，具有類似AutoCAD的圖形界面以及獨(dú)特的對(duì)象技術(shù)、快速分析、逼真的動(dòng)畫和可視化工具。該軟件融合了美國(guó)、英國(guó)、歐洲、德國(guó)、日本、中國(guó)等國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)原則，從而為管道系統(tǒng)提供全面的分析。Bentley AutoPIPE管道分析軟件主要是計(jì)算當(dāng)管道系統(tǒng)受到靜態(tài)、動(dòng)態(tài)荷載時(shí)，管道系統(tǒng)所承受的應(yīng)力、變形量。

3.3　輸入?yún)?shù)

選用靜態(tài)條件下架空管道應(yīng)力分析模型，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASME B31．1《動(dòng)力管道》。靜態(tài)荷載：熱膨脹力、內(nèi)壓力、重力，設(shè)計(jì)溫度350℃，設(shè)計(jì)壓力1.6MPa。管材選擇20號(hào)螺旋焊縫鋼管，設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力在選定管材時(shí)自動(dòng)從后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用。隔熱環(huán)材料為硅酸鋁，保溫層材料為耐高溫超細(xì)玻璃棉，補(bǔ)償器為外壓式軸向波紋管補(bǔ)償器。閥門為蝶閥，規(guī)格為DN 700mm，管道連接方式為焊接。采用軟件建立的計(jì)算管段模型見圖3。

3.4　應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

點(diǎn)擊下拉選單中的“分析”按鈕，再點(diǎn)選“靜力分析”，進(jìn)行靜態(tài)荷載條件下的應(yīng)力計(jì)算。主要應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為：

最大位移出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)A51，位移量為264.33mm。最大約束受力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)A00，約束受力為864482N。最大約束力矩出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)A05，力矩為497357N·m。最大持續(xù)應(yīng)力(由持續(xù)荷載產(chǎn)生的應(yīng)力)出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)A08，計(jì)算應(yīng)力為32.41MPa，修正許用應(yīng)力(考慮許用應(yīng)力修正系數(shù))為86MPa，應(yīng)力比(計(jì)算應(yīng)力與修正許用應(yīng)力之比，當(dāng)應(yīng)力比小于1時(shí)，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)安全)為0.38。最大彎曲應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)A07，計(jì)算彎曲應(yīng)力為115.8MPa，允許彎曲應(yīng)力為184.0MPa，應(yīng)力比為0.63。最大環(huán)向應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)A00，計(jì)算環(huán)向應(yīng)力為54.22MPa，修正許用應(yīng)力為86MPa，應(yīng)力比為0.63。

3.5　計(jì)算結(jié)果分析

最大持續(xù)應(yīng)力節(jié)點(diǎn)A08、最大彎曲應(yīng)力節(jié)點(diǎn)A07、最大環(huán)向應(yīng)力節(jié)點(diǎn)A00的應(yīng)力比均小于1，說(shuō)明這3個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力水平是安全的，符合ASMEB31．1的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭世宏．直埋蒸汽管道設(shè)計(jì)與施工的分析[J]．煤氣與熱力，2005，25(11)：57-59．

[2]楊雪琴，邵蓉，李曉恭．直埋蒸汽管道技術(shù)應(yīng)用與探討[J]．煤氣與熱力，2005，25(9)：53-55．

本文作者：趙國(guó)強(qiáng)  彭文玲

作者單位：中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司第四設(shè)計(jì)研究院