直埋蒸汽管道彎頭應力分析與支座設置

摘要

通過分析不同角度直埋蒸汽管道工作管彎頭及附近支座的應力，探討工作管彎頭附近支座的設置。

摘　要：通過分析不同角度直埋蒸汽管道工作管彎頭及附近支座的應力，探討工作管彎頭附近支座的設置。

關鍵詞：直埋蒸汽管道；內固定支座；單向內固定支座；應力分析；自然補償

Stress Analysis for Directly Buried Steam Pipeline Elbow and Support Setting

Abstract：The setting of the supports near the working pipe elbow is discussed by analyzing the stress of the working pipe elbow of the directly buried steam pipeline and the nearby supports with different angles．

Keywords：directly buried steam pipeline；inside fixed support；unidirectional inside fixed support；stress analysis；natural compensation

1　概述

直埋蒸汽管道沿市政道路敷設，需根據道路走向調整管道走向，沿線需設置不同角度的彎頭，由于在兩個直埋蒸汽管道內固定支座[1]之間設置彎頭可能會破壞管道內部保溫材料和軸向補償器等，因此，在直埋蒸汽管道中設置彎頭需采取相應的技術措施。本文通過對不同角度的直埋蒸汽管道工作管彎頭及附近節點進行應力分析，探討彎頭附近支座的設置，避免彎頭對保溫材料和軸向補償器的破壞，指導直埋蒸汽管道施工圖設計。

2　應力計算及校核

2.1　一次應力計算及校核

管道在工作狀態下，由內壓和持續外載(包括自重和支吊架反力等)產生的應力，屬于一次應力。一次應力是非自限性的，超過某一限度，將使管道整體變形直至破壞。因此，一次應力不得大于鋼管在設計溫度下的許用應力，以防止過度的塑性變形而導致管道破壞。可按式(1)～(4)計算及校核[2]。

sL≤st (1)

sL=pD/4d+szhw+sw (2)

szhw=Fzhw/100A (3)

sw=mMw/W (4)

式中sL——軸向應力，Mpa

st——鋼管在設計溫度下的許用應力，本文也稱為一次應力的許用應力，Mpa

p——設計壓力，Mpa

D——管道外直徑，mm

d——管道壁厚，mm

szhw——持續外載軸向應力，Mpa

sw——持續外載當量應力，Mpa

Fzhw——持續外載軸向力，N

A——管壁斷面積，cm2

m——應力加強系數

Mw——持續外載當量力矩，N·m

W——管道截面系數，cm3

2.2　二次應力計算及校核

管道由于熱脹、冷縮等變形受約束而產生的應力屬于二次應力，其特征是有自限性的，在反復交變應力作用下引起疲勞破壞。二次應力按式(5)～(6)計算及校核。

sE≤f(1.25s20+1.25st-sL) (5)

sE=mME/W (6)

式中sE——熱脹當量應力，取計算管系上危險斷面的應力值，Mpa

f——管道位移應力范圍減少系數

s20——鋼管在20℃時的許用應力，Mpa

ME——熱脹當量力矩，N·m

式(5)中，sE≤f(1.25s20+1.25st-sL)，本文將其稱為二次應力的許用應力。

3　彎頭應力分析實例

以工作管為DN 600mm的鋼套鋼直埋蒸汽管道彎頭為例進行應力分析。設計參數如下：設計壓力為1.4MPa，設計溫度為280℃，外護管表面溫度為50℃；保溫采用外滑動結構[3]，預制直埋蒸汽管道設置有內滑動支座，保溫層、內滑動支座隨工作管在外護管內沿軸向自由移動。工作管規格為Ø630×9螺旋縫雙面埋弧焊鋼管(材質為Q235B)，保溫層為高溫玻璃棉，其厚度為220mm；外護管采用Ø1120×12螺旋縫雙面埋弧焊鋼管(材質為Q235B)；工作管彎頭的彎曲半徑為3倍管道外直徑，采用無縫鋼管煨制；外護管彎頭采用斜接彎頭，外護管管頂覆土厚度為1.2m。熱補償采用外壓軸向型波紋管補償器(以下簡稱波紋管補償器)，由波紋管補償器、直管段和兩側的內固定支座構成一個直管補償段，每個直管補償段長度為50m。在以下應力分析中，圖1、圖3、圖5中所示為直埋蒸汽管道彎頭和一個直管補償段的情況，兩側還有若干個直管補償段。采用CAESARⅡ進行應力分析，CAESARⅡ是由美國鷹圖公司研發的壓力管道應力分析專業軟件，該軟件是將管道模擬為梁單元，因此，本文圖中節點是指管道截面。

在直埋蒸汽管道中設置彎頭，為防止兩個內固定支座之間的彎頭破壞保溫層和軸向補償器，本文結合工程設計實踐，提出3種彎頭附近支座的設置形式：彎頭一側設置內固定支座，彎頭兩側設內固定支座，彎頭兩側分別設置內固定支座和單向內固定支座。

3.1　彎頭一側設置內固定支座

如圖1所示，在彎頭B一側設置內固定支座，節點b為工作管彎頭處，節點a為工作管內固定支座A處，節點d為內固定支座D處，q為彎頭角度。內固定支座將工作管固定在外護管內，外護管敷設在土壤中。節點b、d之間的工作管熱變形由波紋管補償器吸收。為減少管段b-d橫向位移，避免對波紋管補償器產生影響，同時減小軸向力F的力臂，應控制a-b之間的距離，滿足內固定支座A與彎頭B安裝尺寸要求即可，本文中內固定支座A距彎頭端距離為0.4m。彎頭B承受其左側軸向力F作用，彎頭B右側軸向力FN由內固定支座A承受。軸向力F、FN由波紋管補償器不平衡內壓力(俗稱盲板力)、彈力以及工作管的內滑動支座與外護管摩擦力合成[4]。

直埋蒸汽管道彎頭應力分析與支座設置

根據以上條件，利用CAESARⅡ建立鋼套鋼直埋蒸汽管道模型，彎頭角度0分別為20°、25°、30°、35°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，對應建立10個應力計算模型。計算結果顯示，直埋蒸汽管道外護管各節點、工作管各節點中，a、b節點應力較高，其他節點的應力均在許用應力范圍內。因此，本文重點分析a、b節點應力，計算結果見圖2。

直埋蒸汽管道彎頭應力分析與支座設置

根據圖2，隨著彎頭角度0的增加，工作管在彎頭、內固定支座處的應力均逐漸增大，其中，二次應力增幅較小，一次應力增幅較大。當彎頭角度q為30°時，工作管在a、b節點的一次應力超過其許用應力，二次應力滿足要求。以上應力分析表明，鋼套鋼直埋蒸汽管道彎頭附近支座按照圖1布置方式設計時，當彎頭角度q≤25°時，工作管各節點的應力在許用應力范圍內，滿足規范要求；當彎頭角度q>25°時，工作管a、b節點的一次應力將超過其許用應力，不能滿足規范要求。

3.2　彎頭兩側設置內固定支座

如圖3所示，在彎頭B兩側a、c節點設置內固定支座，節點b為工作管彎頭處，節點a、c、d分別為工作管的內固定支座A、C、D處，q為彎頭角度。內固定支座將工作管固定在外護管內，外護管敷設在土壤中。節點c、d之間的工作管熱變形由波紋管補償器吸收。由于外護管內空間小，同時彎頭吸收變形能力較小，根據工程經驗，直埋蒸汽管道L形自然補償臂長宜在2～10m范圍，本文中內固定支座A和C與彎頭端距離均取4m。彎頭兩側被內固定支座固定，對c-d段工作管無橫向位移，對波紋管補償器無影響；彎頭兩側內固定支座分別承受軸向力F、FN，可以減小彎頭的一次應力。

直埋蒸汽管道彎頭應力分析與支座設置

根據以上條件，利用CAESARⅡ建立鋼套鋼直埋蒸汽管道模型，彎頭角度穢分別為30°、35°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，對應建立8個應力計算模型。計算結果顯示，直埋蒸汽管道外護管各節點、工作管各節點中，a、b、c節點的應力相對較高，其他節點的應力均在許用應力范圍內。因此，本文重點分析a、b、c節點應力，計算結果見圖4。

直埋蒸汽管道彎頭應力分析與支座設置

根據圖4，隨著彎頭角度q的增加，工作管在節點a、b、c處的一次應力均逐漸增大，增幅很小，均在許用應力的50％以下；節點a、b、c處的二次應力均逐漸減小，當彎頭角度日大于50°時，節點b二次應力小于許用應力，當彎頭角度q大于80°時，節點a、b、c二次應力均小于許用應力，滿足規范要求。以上應力分析表明，鋼套鋼直埋蒸汽管道彎頭附近支座按照圖3布置方式設計時，當彎頭角度q>80°時，工作管各節點的應力在許用應力范圍內，滿足規范要求；當彎頭角度q≤80°時，工作管a、b、c節點的二次應力將超過其許用應力，不能滿足規范要求。

3.3　設置內固定支座和單向內固定支座

如圖5所示，在彎頭B一側靠近彎頭處設置內固定支座A，承受作用于彎頭B的軸向力FN；另一側靠近彎頭設置軸向單向支撐內固定支座(以下簡稱單向內固定支座C)，僅承受軸向力F，限制工作管向c-b方向移動，不限制工作管沿其他方向移動。圖中節點b為工作管彎頭處，節點a為工作管內固定支座A處，節點c為工作管單向內固定支座C處，節點d為內固定支座D處，q為彎頭角度。內固定支座、單向內固定支座將工作管固定在外護管內，外護管敷設在土壤中。節點c、d之間的工作管熱變形由波紋管補償器吸收。為減少直管段c-d橫向位移，避免對波紋管補償器產生影響，同時減小軸向力F的力臂，應控制a、b之間距離，滿足內固定支座A與彎頭B安裝尺寸要求即可，本文中內固定支座A、單向內固定支座c與彎頭端距離均為0.4m。

直埋蒸汽管道彎頭應力分析與支座設置

根據以上條件，利用CAESARⅡ建立鋼套鋼直埋蒸汽管道模型，對多個角度彎頭進行應力分析，彎頭角度q分別為30°、35°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，對應建立8個應力計算模型。計算結果顯示，直埋蒸汽管道外護管各節點、工作管各節點的各類應力均在許用應力范圍內，節點a、b、c的應力相對較高。因此，重點分析節點a、b、c應力，計算結果見圖6。

直埋蒸汽管道彎頭應力分析與支座設置

根據圖6，在彎頭另一側設置單向內固定支座后，a、b、c等節點一次應力隨彎頭角度q的增加變化較小；其二次應力開始隨角度增加而增加，當彎頭角度q=50°時，二次應力達到最大，節點b達到其許用應力的91.8％，此后，二次應力隨角度增加而減少，但均在相應許用應力范圍之內，滿足相關規范要求。由于單向內固定支座僅承受軸向力F，在減小彎頭的一次應力的同時不限制工作管彎頭的熱位移，故工作管各節點一次、二次應力均在相應許用應力范圍之內。以上應力分析表明，鋼套鋼直埋蒸汽管道彎頭附近支座按照圖5布置方式設計時，彎頭角度滿足25°<q≤90°時，工作管各節點的應力均在許用應力范圍內，滿足規范要求。但由于大于80°小于等于90°的彎頭具有吸收變形能力，在實際工程中，在彎頭兩側設置內固定支座，構成L形自然補償段。