（环境工程专业论文）直埋敷设供热管道受力计算及计算软件开发研究.pdf

摘要 供热管道直埋敷设已成为我国区域供热常用的一种敷设方式，该领域的设计人员迫 切地需要一套理论联系实际，较系统地介绍直埋热力管道受力分析及计算方法的参考资 料及相关的计算软件，本课题研究力求达到这一目的。 本论文包括以下六部分内容： 第一章介绍研究与开发直埋敷设供热管道受力计算软件的基本思路。简要阐述了国 内外对于直埋供热管道设计计算理论研究的现状，课题的来源、研究内容以及本论文的 主要研究方向和工作内容。 第二章介绍供热管网水力计算的内容，需要计算的内容及计算公式，为开发软件水 力计算模块，提供理论依据。 第三章介绍管道应力计算及应力验算的基本原则和计算公式。对于不同的管道部件 提出了相应的强度条件，确定了直管段及转角管段的应力验算方法。根据管道的滑动状 态，将管道分为锚固段和滑动段，无补偿直埋最大摩擦长度的概念和计算方法。最后得 出管道竖向稳定性的验算方法和最小埋深要求。 第四章介绍对于直埋敷设供热管道的稳定性进行理论分析。将管段分为直管段的整 体性稳定性分析和直埋局部稳定性分析。讨论了直埋热水供热管道的安定性并对直埋直 管段进行了安定性分析。不考虑活荷载时直埋热水管道满足竖向稳定性的最小管顶覆土 深度，并规定的管顶覆土深度下直管过渡段的最大布置长度。应用经典板壳稳定性理论， 对直埋管道受横向外压和轴压作用下的局部失稳进行了深入分析，提出了判定直埋供热 管道局部稳定性的验算条件。 第五章介绍了直埋敷设供热管道的作用力形式，和管道变形特点，分析管道受力和 位移的计算，根据受力和位移的计算公式得出了固定墩推力计算公式并以图表的形式列 出。 第六章介绍了直埋敷设供热管道支架受力计算的软件设计界面，以及如何实现的软 件功能。 关键词：供热管道、受力计算、模块、软件 a b s t r a c t b u r i e st h ep l a c i n gt ob e c o m eo u rc o u n t r yd i s t r i c th e a t i n gp i p en e t w o r k r e c o m m e n d a t i o ns t r a i g h to n es y s t e mo fl a y i n g ，t h i sd o m a i n sd e s i g n e r sn e e das e to f a p p l yt h e o r yt or e a l i t yu r g e n t l y ，i n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l yb u r i e st h et h e r m a le n e r g yp i p e l i n e s t r e s sa n a l y s i sa n dt h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o dr e f e r e n c ea n dt h er e l a t e dc o m p u t a t i o ns o f t w a r e s t r a i g h t ，p r e s e n tp a p e rc o m p i l a t i o nf o l l o wa f t e rt h i sg o a l b e l o wt h ep r e s e n tp a p e rc o n t a i n ss i xp a r t i a lc o n t e n t s ： t h ef i r s tp a r tm a i n l yo u t l i n e sb u r i e sp i p e l i n e sb a s i cc o n c e p ts t r a i g h t t h er e s e a r c hw i t h o p e n ss t r a i g h t e n sb u r i e st h ep l a c i n gh e a ts u p p l yp i p e l i n es t r e s st oc a l c u l a t es o f t w a r e sb a s i c m e n t a l i t y e l a b o r a t e db r i e f l yd o m e s t i ca n df o r e i g nr e g a r d i n gb u r i e st h eh e a ts u p p l yp i p e l i n e d e s i g nc a l c u l a t i o nf u n d a m e n t a lr e s e a r c hs t r a i g h tt h ep r e s e n ts i t u a t i o n s y n o p s i st o p i co r i g i n ， r e s e a r c hc o n t e n ta sw e l la sp r e s e n tp a p e rm a i nr e s e a r c hd i r e c t i o na n d w o r kc o n t e n t t h es e c o n dp a r te l a b o r a t e dt h eh e a t i n gp i p en e t w o r kw a t e rp o w e rc o m p u t a t i o n sc o n t e n t ， n e e d st oc a l c u l a t et h ec o n t e n ta n dt h ef o r m u l a ，f o rt h ed e s i g nc a l c u l a t i o ns o f t w a r ew a t e r p o w e rc o m p u t a t i o nm o d u l e ，p r o v i d et h et h e o r yb a s i s t h et l l i r dp a r tp r o p o s e dt h ep i p e l i n es t r e s sc a l c u l a t i o na n dt h es t r e s sc h e c k i n gc a l c u l a t i o n b a s i cp r i n c i p l ea n dt h ef o r m u l a 。p r o p o s e dr e g a r d i n gt h ed i f f e r e n tp i p e l i n ep a r tt h e c o r r e s p o n d i n gi n t e n s i t yc o n d i t i o n ，h a sd e t e r m i n e dt h es t r a i g h tl e n g t ho f p i p ea n dt h ec o m e r l e n g t ho fp i p es t r e s sc h e c k i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d a c c o r d i n gt op i p e l i n e sg l i d ec o n d i t i o n ， d i v i d e si n t ot h ep i p e l i n et h ea n c h o rs e c t i o na n dt h eg l i d es e c t i o n ，p r o p o s e dd o e sn o th a v e c o m p e n s a t e sb u r i e st h eb i g g e s tf r i c t i o nl e n g t hs t r a i g h tt h ec o n c e p ta n d t h ec o m p u t a t i o n a l m e t h o d f i n a l l yp r o p o s e dt h ep i p e l i n ev e r t i c a ls t a b l ec h e c k i n gc a l c u l a t i o nm e t h o da n d t h e s m a l l e s tb u r y i n gd e p t hr e q u e s t t h ef o u r t hp a r tr e g a r d i n gb u r i e st h ep l a c i n gh e a ts u p p l yp i p e l i n e ss t a b i l i t yt oc a r r yo n t h et h e o r e t i c a la n a l y s i ss t r a i g h t d i v i d e si n t ot h es t r a i g h tl e n g t ho fp i p et h el e n g t ho f p i p et h e i n t e g r i t ys t a b i l i t ya n a l y s e sa n db u r i e st h ep a r t i a ls t a b i l i t ya n a l y s e ss t r a i g h t d i s c u s s e dh a s b u r i e dt h eh o tw a t e rh e a ts u p p l yp i p e l i n e ss t a b i l i t ys t r a i g h ta n db u r i e st h es t r a i g h tl e n g t ho f p i p et oc a r r yo nt h es t a b l ea n a l y s i sd i r e c t l y g a v eh a d n o tc o n s i d e r e dw h e nl i v el o a db u r i e d t h eh o tw a t e rp i p e l i n et os a t i s f yt h ev e r t i c a ls t a b l es t r a i g h ts m a l l e s tc r o w nt of i l li nt h ed e p t h ， a n dg a v et h es t i p u l a t i o nc r o w nt of i l lu n d e rt h ed e p t ht h ea s c e n d i n gp i p ec h a n g e o v e rp o r t i o n b i g g e s ta r r a n g e m e n tl e n g t h u s i n gt h ec l a s s i c a lb o a r ds h e l ls t a b i l i t yt h e o r y ， b u r i e dt h e p i p e l i n ed i r e c t l yp r e s s e st h ec r o s s w i s ee x t e r n a lp r e s s u r ea n dt h ea x i su n d e rt h ef u n c t i o nt h e p a r t i a lji t t e rt oc a r r y o i lt h et h o r o u g ha n a l y s i s ，p r o p o s e dd e t e r m i n e db u r i e sh e a ts u p p l y p i p e l i n ep a r t i a ls t a b l es t r a i g h tc h e c k i n gc a l c u l a t i o nc o n d i t i o n t h ef i f t hp a r ti n t r o d u c e db u r i e st h ep l a c i n gh e a ts u p p l yp i p e l i n ea c t i o ns t r a i g h tt h ef o r m ， a sw e l la sp i p e l i n ed i s t o r t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n ds e v e r a lb a s i cc o n c e p t s t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n dh a si n f e r r e dt h ep i p e l i n es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t sc o m p u t a t i o n ，h a so b t a i n e d t h ef i x e dp i l l a rt h r u s tf o r c ef o r m u l aa n da c c o r d i n gt ot h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t sf o r m u l a l i s t sb yt h eg r a p hf o r m t h es i x t hp a r tm a i n l yi n t r o d u c e df i n a l l yb u r i e st h ep l a c i n gh e a ts u p p l yp i p e l i n es u p p o r t s t r e s sc o m p u t a t i o ns t r a i g h tt h es o f t w a r ed e s i g nc o n t a c ts u r f a c e ， a sw e l la st h es o f t w a r e s h o u l dr e a l i z ef u n c t i o n k e yw o r d s ：b u r i e dh e a t i n gp i p e ； f o r c ec o m p u t a t i o n ； m o d u l e ： s o f t w a r e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丸岛 沙苫年r 月7 淤- f ! 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 土匆 少呕年厂月饼i 目 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早殖了匕 1 1 选题的背景、目的及意义 现代计算机以计算速度快、自动化程度高，已经广泛应用于工程设计等领域，但是 还没有解决直埋敷设供热管道受力计算的专业软件，以至于工程设计人员还基本靠手动 计算固定墩受力问题。计算量很大，并且容易出现人为的错误，设计人员希望能开发出 直埋敷设供热管道受力计算的软件，使计算机能更好地发挥作用，也可以使设计人员得 以从繁重的手工计算中解脱出来，更好地从事专业设计工作。 本人的工作希望通过对于计算机编程软件的学习及应用，设计出一套针对直埋敷设 供热管网局部受力分析计算软件，达到使用简单，适用面广，输出结果直观的目的。从 而减少供热的开发应用上，目前处于在局部的受力分析计算，希望能为专业程序设计人 员在开发整体管网分析计算软件，提供理论依据以及开发思路。 1 2 软件设计的基本思想 软件设计的基本思想是根据工程中的供热管道的布置方式及其受力特点，将供热管 道划分成几种典型的计算管段，以管段为基本单元进行受力计算。 在软件中首先选择管道布置形式，对应管道的布置形式在计算软件的可视区域调出 管道布置图，设计人员可以检查计算的管段是否是这种形式，然后根据布置形式不同选 择不同的管道计算方法。 选定管段后，输入管道参数，软件根据选择的管道布置形式，判断管段的形式。软 件计算的步骤：首先验算管段的应力变化范围，判断是否允许锚固段的存在，如果允许存 在，计算固定墩的单侧推力，然后验算管道稳定性。如果管段一侧是固定墩，一侧是补 偿器时，首先计算管段的过渡段长度判断是否存在锚固段，验算管段的应力变化范围， 判断是否允许有锚固段的存在。计算管段中给出的只是固定墩的单侧推力，而固定墩受 到的是两侧推力的合力，所以最后结果需要根据计算管段的单侧推力和( 计算表中) 的 管道形式合成固定墩的推力。 1 3 供热管道设计计算软件概述 1 3 1 软件的系统结构 软件由计算模块构成，计算模块对于用户任意试探性的输入，软件可立即得出相应 计算结果，从而为管网设计提供指导。计算模块包括管网水力计算，管道支架受力计算， 热伸长计算、过渡段长度计算、最大允许过渡段长度计算、摩擦力计算、轴向力计算等 模块。由于不同用户、不同工程可能面临不同的管材、管子尺寸、土壤密度等数据，为 便于用户根据实际情况设置适用于自己的计算数据，对管材、管子尺寸等相关计算数据 第一章绪论 集中保存，确保了数据的合理性和完整性。用户在整体计算模块和辅助计算模块中只需 选择管子的公称直径，软件将自动调用对应的其他数据，简化了用户的输入量，提高了 软件的适用性。软件计算流程图见图1 1 。 初始化数据库 h 计算数据数据库 图纸 jl 1r 1r 计算模块 h 模块选择 1 r1 r1| 1r1rr 管 执 过摩轴管道支架受力计算 网 伸 渡擦 向 j 水 长 段力力 力 计长计计 方套波无 计算度算算 形筒纹推 算计 补补补力 算 偿偿偿补 器器器偿 。一一 r1r1r1r1r 1r 1 r 1 r1r 生成计算结果 图1 1 软件系统流程图 s o f i 、) l ，a r es y s t e mf l o wc h i n 1 4 直埋供热管网概述 1 4 1 直埋敷设管道技术发展现状 近2 0 年来，直埋敷设管道以占地少、施工周期短、工程量小、经济实用等优点， 已经广泛应用于集中供热、城市燃气、市政给排水、石油输送等领域，为人民生活和经 济发展中发挥了重要作用。 供热管道直埋敷设方式同传统的地沟敷设方式相比具有占地少、施工周期短、维护 量小、节约投资、寿命长等优点，能够满足城市建设的要求，在我国已得到广泛应用。 目前，国内使用的预制保温管及施工方法于二十世纪8 0 年代自北欧传入我国。经过二 十多年历程，此项技术取得了长足的发展，在设计理论上，北欧当年使用的弹性变形方 法、第四强度理论至今仍然广为采用。同时应力分类法、第三强度理论也应用到国内热 网工程设计中并获得成功。 2 长安大学硕士学位论文 为统一我国城镇直埋供热管道工程设计、施工及验收标准，促进直埋管道技术的 发展和推广，由唐山市热力公司主编的城镇直埋供热管道工程技术规程( 以下简称 规程) 已经批准为推荐的行业标准，编号c j j t 8 1 9 8 ，自1 9 9 9 年6 月1 日起施行。 1 4 2 直埋管道敷设方式 直埋管道的敷设方式分为：有补偿方式与无补偿方式。 有补偿方式是一种把架空或地沟的模式照搬过来埋入地下作为直埋管道的设计概 念，设计了补偿器( 波纹膨胀节或套筒式) 吸收热胀冷缩，由于补偿器的位移，无法做 到安完可靠的防水，在地下水浸泡下，其寿命很难与管道同步，损坏的例子在国内已 不是个别的，投产短短几年即事故不断，更谈不到能安全使用3 0 年或更长。因此管道 设计的出发点应从目前的技术水平出发，提高整体安全性。 无补偿方式又具体分为以下四种方式。 1 预热方式：通常有热水预热、热风预热和电预热。管道安装完毕，将管道预热 至热水工作温度的中间温度，使其应力达到工作温度时的一半，将管道填埋。优点是： 管道所受到的应力比较小，无补偿元件( 一次性补偿器) ，既安全又降低了造价，缺点： 要求在整体水压试验后有3 5 天预热时间( 热水预热) ，这在交通繁忙占用道路的场合 下有一定难度。 2 一次性补偿器 对不具备敞槽预热的条件，可采用一次性补偿器的方式；补偿器处可先填埋或作 临时井，供热时用热源的热水预热后焊死，再最终覆土恢复地面。此方法造价相对要 高一些。 3 自然补偿 管道系统采用“方型 、“z ”、“l 型自然补偿。“方型 补偿占地较大，实际工程 中有时无法实现。 4 冷安装方式 无补偿元件，不预热，可降低造价，但由于管道承受较高应力，对焊接、探伤、管 道折角要求严格，只适应于小口径( d n 3 0 0 及以下) 低温( 1 0 0 。c 以下) 管道。 1 4 3 有补偿和无补偿直埋敷设设计方法的主要区别 有补偿直埋敷设按照传统的管道强度验算方法，对各种载荷产生的应力不分类，均 按弹性分析理论或极限分析理论的强度条件控制，利用补偿器吸收热位移来降低直管段 的温度应力，设计结果是固定支架和补偿器的数量。 第一章绪论 无补偿直埋敷设管道的强度验算采用应力分类法对应力进行分类并采用不同的强 度条件控制，其中温度应力采用安定性分析理论控制，使管段能够满足应力分析对应的 强度条件，无需设置补偿器来降低直管段温度应力。设计结果是管道上很少设置补偿器 和固定支架。 1 4 4 直埋敷设供热管道优点 直埋供热管路不需要砌筑地沟，只需将保温管埋入地下，减少占地面积，土方开挖 量约少5 0 ，减少土建砌筑和混凝土量9 0 ，保温管只需现场接头，可以缩短工期5 0 以上。采用保温材料预制保温管进行保温，其导热系数低，保温效果好，保温材料吸 水率低，减少了供热管道的热损失。直埋保温管由保温材料保温层紧密地粘贴在钢管外 壳，隔绝了空气和水的浸入，而且其吸水性很小，再加上保温材料外壳有良好的防腐、 绝缘和机械性能，只要接头保温做好，钢管很难受到外界空气和水的侵蚀。 1 5 国内外研究动态 2 0 世纪8 0 年代初期，我国在北欧引进预制保温管道直埋敷设技术的同时，也引入 了相关的管道安装技术设计方法以及受力计算和分析方法。从北欧资料看管道强度计算 主要是按一维模型进行，把补偿器和弯头都简化成自由端，作用在直埋敷设供热管道上 的荷载只考虑温升引起的热应力和土壤摩擦力，不考虑内压作用。应力分析时，再把内 压作用考虑进去，用弹性分析法进行分析，不允许产生任何塑性变形【3 1 。到了2 0 世纪 9 0 年代，北欧意识到弹性分析方法没有反映出钢管塑性变形和破坏的关系，开始改变其 设计理论和分析方法。1 9 9 3 年a b b 公司的供热手册中提出了冷安装方式，允许管道的 轴向应力超出弹性范围。1 9 9 6 年最新的欧洲标准( 草稿) 和1 9 9 7 年出版的集中供热手 册明确给出了温度应力和内压应力不同的强度条件。北欧标准中，没有区分安装温度 和循环温度，在所有的计算中，全部采用运行温度和安装温度之差。北欧采用的横向土 壤反力的非线性模型，给出了与侧向位移，以及管径、埋深和土壤摩擦角有关的横向土 壤反力计算公式，还考虑了保温层和所设置的垫片对横向土壤反力的影响，所以北欧采 用的非线性模型更接近于横向反力的实际情况【4 l 。但是非线性模型的运用，使计算方法 十分复杂，必须使用数值法或有限单元法，不能给出准确的解析式，北欧厂商只以图表 的方式给出结果，没有给出详细的分析计算过程。 在我国供热行业，北京市煤气热力设计院对直埋敷设供热管道做了很多研究，对直 埋管道的力学分析和计算做出了很大的贡献，引入了补偿器力学模型，并将内压周向作 用和伯桑效应引入到计算中。在一维问题中，详细地对安定性强度分析法进行了研究， 4 长安大学硕士学位论文 在二维问题中只计算了首次运行工况的限制，弯头部分的分析也只是近似计算，没有考 虑内压力和补偿器弹性力对变形的直接作用，只是在计算固定墩的推力中考虑了他们的 影响作用，而在管道的变形和受力计算中没有考虑这些因素【l 】。 1 9 9 8 年，唐山市热力总公司主编的城镇直埋供热管道工程技术规程，在北京市 煤气热力工程设计院所采用的设计原理和方法的基础上，并作了改进，并作为国家标准 施行【2 1 。 针对火力发电厂热力管道的特点，水利水电部也提出了一套计算和设计方法，其 中柔度计算采用了结构力学超静定结构的方法，应力分析采用了应力分类法，一次应力 采用极限分析，二次应力采用安定性分析，峰值应力采用疲劳分析。尽管直埋管道的受 力计算与之有很大的不同，但是上述分析问题的方法和思路可以引入直埋敷设管道强度 设计上【1 0 l 。 石油工业也有大量的直埋敷设管道，由于温差较小，直埋敷设的直管段部分不设 置补偿器也能满足正常运行要求。弯头部分会产生很大的变形和应力，因此，石油工业 主要是对弯管进行了大量的分析计算。石油大学的崔孝秉教授提出：在直管段采用弹性地 基梁模型，弯头采用弹性抗弯铰模型，考虑了土壤摩擦力，压缩反力和温差作用，应力 分析给出了一个折算性极限值【3 1 。由于弯头的简化要求所连接的直管端较长，7 。因此在计 算安装长度较短的弯管时，会出现很大的误差。 蔡强康、吕英民提出了在空间管道升温内力计算的有限单元模型基础上，采用聚 缩荷载法，考虑了土壤摩擦力和压缩反力【4 】，弯管部分按许多很小的柔性增大直管单元 考虑，荷载和弯头的处理方法划分很细，但是计算量很大，这种方法难以在工程技术的 得到广泛应用。 石兆玉教授也对直埋弯头的受力分析及其设计方法做了相关的研究，并提出了自 己的观点【5 1 。哈尔滨建筑工程学院对弯头进行分析时，采用的是建立在弹性地基梁基础 上的有限单元法，弯头采用的是柔性变大的直单元模型，荷载考虑了温升作用、土壤摩 擦力、压缩反力和内压力，还针对摩擦系数做了一系列实验，但是所用的安定性分析只 是近似计算【6 1 。 1 6 课题与本文的主要工作简介 1 6 1 课题的主要研究内容 本课题由长安大学环境科学与工程学院与西安汇通热力规划有限公司共同合作。 就开发研究智能化热力管网设计计算软件。项目负责人由本人导师：邓沪秋( 副教授) 第一章绪论 担任。针对热力管网，不同介质( 蒸汽、热水) 、不同敷设方式( 直埋、架空、地沟) 下的水力计算、应力验算、受力计算及管网稳定性计算等的开发研究。 1 6 2 课题开发目的 能够较好的解决设计中的理论分析与计算问题，符合规范与实际工程设计要求， 有效提高供热管网设计计算的速度、精度和安全可靠性。 1 6 3 本文研究的主要内容 1 、直埋敷设供热热水管道在各种荷载作用下的应力分析。 2 、直埋敷设供热管道稳定性分析计算。 3 、直埋敷设供热管道在运行工况下的受力计算。 4 、直埋敷设供热管道中的固定墩受力计算。 1 6 4 本文研究方法 1 、理论分析 对应力状态和管道受力进行理论分析，找出理论上解决问题基本依据，得出理论计 算的基本公式。 2 、计算软件研发 根据理论计算的基本公式，运用v b 语言设计受力分析和设计计算软件。为直埋敷 设供热管道的应力分析和受力计算提供帮助。 6 长安大学硕十学位论文 第二章管网水力计算 水力计算1 7 1 是供热管网设计过程中较重要的环节，计算水力准确与否，将决定热网 的投资合理性和安全经济运行的程度，应引起设计人员的足够重视。 2 1 、计算目的 通过水力计算主要用以确定供热管网适当的合理的管径和压降。对于管道应力验算 不同运行工况的最大温降，以保证末端用户要求最低温度。夏季由于无采暖负荷( 一般 与生产负荷共用同一根管道) 其流量较冬季大大减少，相对热损失加大，能否满足用户 的要求( 如棉纺厂要求有一定温度烘干) 必须通过水力计算确定。对于热水管道要根据水 力计算求得主干管及各分支管的各点压降。 2 1 1 计算条件 水力计算是在确定管网系统、型式和布置后进行： 计算类型 ( 1 ) 已知热媒种类( 汽或水) 流量和压降，根据布置中的管道长度及适宜的比摩阻计算管 径。 ( 2 ) 已知介质种类和流量以及管径，验算各管段始端至末端的压降。 ( 3 ) 已知介质种类、管道直径和允许最大压降，验算管道网内最大通过流量。 计算条件 水力计算前，先确定计算时所选取的流量、长度和允许压降。 2 1 2 计算流量 水力计算时选取的计算流量，般按现状负荷各种运行工况可能出现的最大流量选 用，同时应按近期落实的发展负荷进行校核验算。 各管段的计算流量应按下列原则确定： ( 1 ) 从热源引出的主干管流量，原则上按现状热源最大供热能力确定进行计算。如热 源近期扩建增容量不大时可在确定计算流量时统一考虑，否则应经过技术经济比较后确 定计算流量。 ( 2 ) 至各用户的主干管或分支干管，按各用户通过最大流量之和进行计算。 ( 3 ) 直接与用户连接的分支管，按近期发展负荷所需的最大流量计算。 2 2 热力管网水力计算 2 2 1 管径计算 7 第二章管网水力计算 水力计算主要是确定适当的管径和合理的压降，按下式计算 d , , = 5 9 4 5 摇d = 1 8 8 侉q w 式中d 。一一管道内径，m m3 q 一一介质体积流量，m 3 h ； w 一一介质流速，m s ： g 一一介质质量流量，t h ： v 一一介质比体积，m 3 k ( 与温度有关，在计算中应取平均值) 。 2 2 2 压降计算 管道总压降，按下式计算 a p = a p m + a p d + a h 其中，直管的摩擦阻力压降 a p m = 6 2 5 x 1 0 - 2 嚣三z 管道附件的局部阻力压降 卸d = 丢善 管道内介质的静压头 a h = i o ( h 2 一h i ) p 根据管段的计算长度公式 三，= l z + l d = ( 1 + a ) t z 为简化计算，管道的总压降 卸= a h l j + 脯 式中 a p - 一管道的总压降，p 。； a p m 一一直管的摩擦阻力压降，p 。； p d 一管道附件的局部阻力压降，p a ； a h - - 一管道内介质的静压头，p 。； w 一一管内介质流速，r r d s ； p 一一介质密度，蚝m 3 ； 九一摩擦阻力系数； q 一热损失附加系数； 芎一一管件局部阻力系数之和； h 1 一一管段始点标高，m ： h 2 一一管段终点标高，m ； 8 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 长安大学硕士学位论文 岛一一直管段几何展开长度，m ； 三，一一管道的计算长度，m ； 幺一一管道阻力当量长度，m 。 2 2 3 热水热网水力计算 热水热网允许流速w ，m s 公称直径d n m m 1 52 02 53 24 05 0 茎1 5 0 _ 2 0 0 允许流速w ( m s ) 0 6 0o 8 01 o o1 3 01 5 02 0 02 3 03 o 推荐比压降 设计供回水温差比压降a h ( p a m ) 推荐值 t y 时，取h - t o = a t y 式中l t 凯一一直管段的最大过渡段长度，r n ； k n 一一直管段的最小过渡段长度，m ； f 一一一管道的最大单长摩擦力，n ； f m i n 一管道的最小单长摩擦力，n ； e 一一钢材的弹性模量，p a ； a 一一钢材的线膨胀系数“( m ) ； t l 一一管道运行时的介质温度，； t 2 一一管道安装时的环境温度，； d 一一管道材料的泊松系数； 仃，一一管道的内压周向应力，m p 。； 彳一一道的横截面积，m 2 。 管道工作循环最高温度下，过渡段内任一截面上的最大轴向力和最小轴向力应按下 列公式计算： ( 1 ) 最大轴向力 n t ，册x = f 眦x l + f f( 3 6 ) 当l k n 时，取l = l f l l i n ( 2 ) 最小轴向力 n t m m = - f f 吣l + r f f ( 3 7 ) 式中n t 一一一计算截面的最大轴向力，n ； l 一一过渡段内计算截面距活动端的距离，m ； f f 一一活动端对管道伸缩的阻力，n ； n 。r a i n - - 一计算截面的最小轴向力，n 。 管道工作循环最高温度下，锚固段内的轴向力应按下式计算： n a = k 啦g f o ) 一o o ，p 1 0 6 ( 3 8 ) 当t l - t o a t y 时，取t l - t o = a t 、， 式中n a 锚固段的轴向力 对于直管段的当量应力变化范围应进行验算，并应满足下列表达式的要求。 ，= ( 1 一d b ，晓e o ：一t 1 ) 3 p 】 ( 3 9 ) 式中。仃，一一内压、热胀应力的当量应力变化范围，m p 。 当不能满足上式的条件时，管系中不应有锚固段存在，且设计布置的过渡段长度应 1 7 第三章管道应力分析与计算 满足下列表达式的要求： 三鱼巨! 二堡b o s ( 3 1 0 ) 1 瞩。 式中l 一一设计布置的过渡段长度，m 。 两过渡段间驻点位置z 应按下式确定： f 三一丛生1 ，：i 垒 ( 3 1 1 ) 2 式中l 一一两过渡段管线总长度，m ； 1 1 ( 或1 2 ) 一一驻点左侧( 或右侧) 过渡段长度，m ； f n ( 或f f 2 ) 一一左侧( 或右侧) 活动端对管道伸缩的阻力，n 。 当f n 或如的数值与过渡段长度有关，采用迭代计算时，f n 或的误差不应大于 1 0 。 管段伸长量应根据该管段所处的应力状态按下列公式计算： 当t l - t o t y ，或l l 耐n ，管段中部分进入塑性状态工作时 5 2 = k 一岛) 一蒜i l 刈， ( 3 1 3 ) 出p = a g l 一乃一f o 虹一三m i n ) ( 3 1 4 ) 式中1 一一管段的热伸长量，m ； l 一一设计布置的管段长度，m ；当l l 啪x 时，取l = k 砒 l o 一一过渡段的塑性压缩变形量，m 。 过渡段内任一计算点的热位移应按下列步骤计算； ( 1 ) 计算整个过渡段的热伸长量。 ( 2 ) 以计算点到活动端的距离作为一个假设的过渡段，计算该段的热伸长量。 ( 3 ) 整个过渡段与假设过渡段热伸长量之差即为计算点的热位移量。 采用套筒、波纹管、球型等补偿器对过渡段的热伸长或分支三通位移进行补偿， 当过渡段一端为固定点或锚固点时，补偿器补偿能力不应小于过渡段热伸长量( 或分支 三通位移) 的1 1 倍；当过渡段的一端为驻点时，应乘以1 2 的系数，但不应大于按过渡 段最大长度计算出的伸长量的1 1 倍。 直埋管道的热膨胀由于受到土壤摩擦力的约束，实际膨胀量要小于相同条件下的 架空管道。在管道初步估算时，可先假设无摩擦力来估算膨胀量。不考虑摩擦力时热膨 长安大学硕士学位论文 胀量按下式计算： l = 0 【l ( t 产t 1 ) ( 3 1 4 ) 式中l 一一管道的长度，m ； a 一一钢材的线膨胀系数，i ( m ) ： t 2 一一管道运行时的介质温度，； t l 一一管道安装时的环境温度，。 如果管道内通过的介质是低温介质，计算方法同上，但计算出来的是缩短量。 考虑摩擦力时热膨胀量按下式计算： 她= 础o 。一f 。) 一面e l 2 f = 邵酗+ d c 2 ) d c 式中a 一一工作钢管管壁横截面积，m 2 ； ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) e 一一钢材的弹性模量，p 。； f 一一单位长度摩擦力，n m ； p 一一土壤密度，1 8 0 0 k g m 3 ； 一一摩擦系数，管道初始运行时取0 4 ： 0 【一一钢材的线膨胀系数，m ( m c ) ； g 一一重力加速度，m s 2 ； h 一一管顶覆土深度，m ： d c 一一保温管外壳外径，m ； 由于土壤摩擦力的约束，实际热膨胀量只有不考虑摩擦力时的一半。管道经多次温 度变化后，管道与土壤之间的摩擦系数减小，摩擦系数为0 2 时，实际膨胀量为不考虑 摩擦力时的7 0 。直埋管道的安全性取决于管道的应力。 由于存在土壤支撑可以看作是连续不断的支架，管道自重产生的一次应力很小。由 于存在土壤的摩擦作用，使管道的热膨胀不能自由释放，在管道中产生了很大的温差二 次应力。二次应力的水平远远高于一次应力，直埋管道的安全性主要取决于二次应力。 3 7 转角管段的应力验算 直埋水平弯头和纵向弯头升温弯矩及轴向力可采用弹性抗弯铰解析法【”】或有限元 法进行计算。 计算弯头弯矩变化范围时，管道的计算温差应采用工作循环最高温度与工作循环最 低温度之差；计算转角管段的轴向力时，管道的计算温差应采用工作循环最高温度与计 1 9 第三章管道心力分析与计算 算安装温度之差。 采用弹性抗弯铰解析法进行计算时，“l 型管段的臂长应符合下列规定：l l ( 或1 2 ) 2 3 l 【 拈4 阿 d c c ，； ( 3 1 7 ) 式中：l l ( 或1 2 ) 一一“l ”型管段两侧的臂长，m ： k 一一与土壤特性和管道刚度有关的参数，1 m ； c 一一土壤横向压缩反力系数，n m 3 。 “z ”型、“方”型补偿管段可分割成两个l ”型管段，并可采用弹性抗弯铰解析法进行 弯头弯矩及轴向力的计算。分割时应使：z ”型管段以垂直臂上的驻点将管段分为两个“l 型管段；对于两侧转角相同的z ”型管段，驻点可垂直臂中点。“方”型管段自外伸臂的 顶点起将两个外伸臂连同两侧的直管段分为两个“l ”型管段。 直埋弯头的强度验算应满足下列条件： 仃6 + o 5 0 删3 b 】 ( 3 1 8 ) = 等= 警 式中 d b i 一一弯头内径，m ； r b i 一一弯头内半径，m ； 盯。，一一直埋弯头在内压作用下弯头顶( 底) 部的环向应力，m p 。 3 8 直埋管道的热损失【1 6 】 由于保温层采用导热系数较小的聚氨脂作为保温材料，直埋管道的热损失很小。根 据管径、介质温度、保温厚度、埋深及土壤导热系数的具体情况，热损失约为l o - 3 0 w m ， 正常情况下管道每公里温降约为o 5 o 8 c 。对于输送5 1 0 空调冷水的直埋管道， 每公里温降大约o 0 5 。 对于输送9 0 c 热水的直埋管，外护管外表面温度约比周围土壤温度高出1 0 左右。 对于输送空调冷水的直埋管，外护管外表面温度略低于周围土壤温度。 3 9 管道竖向稳定性验算 由于管道中存在较大的轴向力，若管道上方覆土深度较浅，则可能造成管道竖向失 稳。 直埋直管段上的垂直荷载应符合下式要求： q 鲁f 0 ( 3 2 0 ) 长安大学硕士学位论文 一一 - 式中： q 一一作用在单位长度管道上的垂直分布荷载，n m ； 厂，一安全系数，以取1 1 ； n p 。m a x 一一管道的最大轴向力，n ； 而一一初始挠度，m ； i o 一一直管横截面惯性矩，m 4 。 初始挠度按下式计算： 当f o o 0 1 m 时，f o 取o o l m 。 垂直荷载按下式计算： f i a j o 一丽 g 。= p 眈+ 掣眈2 昭 品= 昭( 日= 譬) 2 k 切n k = 1 一胁k 一一抑 式中：g w 一一每米长管道e 方的土层重量n ，m g 一每米长预制保温管自重( 包括介质在内) ，n m ；： $ 1 ：- - 一每米长管道上方土体的剪切力，n m ： 硒一一土壤静压力系数； 一一土壤的内摩擦角。 2 1 ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 第四章直埋敷设供热管道稳定性分析计算 第四章直埋敷设供热管道稳定性分析计算 4 1 直埋供热管道直管段的整体稳定性分析 供热管道直埋敷设方式中，直管段的整体稳定性分析是设计过程中必需考虑的问 题。它决定了整个管系的布置方式。合理的管系布置，可以减少补偿器和固定支架( 固 定墩) 的数量，增加管系的安全性。但其稳定性还要求满足一定的管顶覆土深度。给出 了不满足稳定性条件要求的管项覆土深度下，管系中直管过渡段的允许布置长度。对于 直埋管道的合理布置及安全设计有重要意义。 热水管道直埋敷设方式在供热工程中应用越来越多，对于热水管道的埋深，城镇 直埋供热管道工程技术规程c j j t 8 1 9 8 ( 以下简称规程) 给出了最小管顶覆土深度 的要求，并说明对于此深度，尚应进行管道的稳定性验算。结合城镇直埋供热管道 工程技术规程中的规定，对给定规格的直埋预制保温管，计算出了管道满足安定性的 最大允许循环温差及满足竖向稳定的最小管顶覆土深度，并