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煤礦塌陷區(qū)架空敷設(shè)供熱管道安全可靠研究

作者：高百爭張國強(qiáng) 吳偉遜　　評論：　更新日期：2012年08月19日

??? 由式(5)～(8)可求得在塌陷區(qū)地面沉降深度為h時，支架1處管道附加彎矩最大，計算式為：

???

式中M₁——地面沉降造成支架1處管道的附加彎矩，N·m

??? 地面沉降造成的附加彎矩產(chǎn)生的最大附加彎曲應(yīng)力的計算式為：

???

式中σ_s,max——地面沉降造成的附加彎矩產(chǎn)生的最大附加彎曲應(yīng)力，Pa

??? W_g——鋼管的抗彎截面模量，m³

??? D——鋼管外徑，m

??? 地面沉降前鋼管按受勻布荷載的等距多跨梁計算的最大彎曲應(yīng)力的計算式為^[1]：

???

式中σ_max——地面沉降前鋼管按受勻布荷載的等距多跨梁計算的最大彎曲應(yīng)力，Pa

??? q——管道上的勻布荷載集度，N/m

??? d——鋼管內(nèi)徑，m

??? 由式(10)、(11)得到，最大附加彎曲應(yīng)力使地面沉降前最大彎曲應(yīng)力增加比例的計算式為：

???

式中λ——最大附加彎曲應(yīng)力使地面沉降前最大彎曲應(yīng)力增加的比例

??? 以本礦區(qū)敷設(shè)中的Ф630×8，Q235鋼管為例，充水的保溫管道加其他荷載的總勻布荷載集度為5581N/m，管道設(shè)計壓力為1.6MPa。若不考慮地面沉降，按強(qiáng)度條件，支架間距L可定為18m。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)^[2、3]，由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和為93.1MPa，小于計算溫度下的基本許用應(yīng)力(113MPa)，滿足應(yīng)力驗算要求。鋼材的彈性模量為1.8×10¹¹Pa，若地面沉降深度h=0.5m，由式(12)計算得鋼管在地面沉降前最大彎曲應(yīng)力增加47.75%。由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力之和加上支架沉降產(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)力達(dá)到123.1MPa，大于計算溫度下的基本許用應(yīng)力(113MPa)。可見，塌陷區(qū)的地面沉降對供熱管道造成破壞的危險性存在。

3 保證管道安全運行的安裝方法

??? 對支架1實施管道預(yù)應(yīng)力安裝，安裝方式見圖3。

??? 在滑板與滑動支架之間加設(shè)臨時墊塊(厚度為h/2)，待安裝完成后撤除臨時墊塊，支架1處的管道截面產(chǎn)生的反向安裝預(yù)應(yīng)力由式(10)近似計算為：

???

式中σ_1,o——支架1處的管道截面產(chǎn)生的反向安裝預(yù)應(yīng)力，Pa

??? 支架-1、2處的管道截面增加的正向附加應(yīng)力由式(13)計算。

??? 因此，必須縮短支架間距，降低由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力水平，使由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力加上由預(yù)應(yīng)力安裝產(chǎn)生的正向附加彎曲應(yīng)力之和小于計算溫度下鋼材的基本許用應(yīng)力^[3]。即：

????

式中p——管道的設(shè)計壓力，Pa

??? σ_all——計算溫度下鋼材的基本許用應(yīng)力，Pa

??? 在預(yù)測沉降深度為h時，由式(13)不難求得滑動支架的最大間距L_max(單位為m)。若h=900mm，預(yù)敷設(shè)的Ф630×8，Q235供熱管道，總勻布荷載集度為5581N/m，由式(13)可求得L≈14m。也就是，塌陷斷裂帶附近的支架-3、-2、-1、1、2、3等支架間距為14m。在支架1上實施預(yù)應(yīng)力安裝，當(dāng)塌陷區(qū)的地面沉降深度h≤900mm時，可以滿足標(biāo)準(zhǔn)[2]的規(guī)定，保證管道的安全運行。同理，塌陷區(qū)內(nèi)的支架-2、-3、-4、-5～-n的間距為14m，塌陷使柱頂產(chǎn)生高度差≤450mm，同樣可以滿足標(biāo)準(zhǔn)[2]的規(guī)定，保證管道的安全運行。

4 管道應(yīng)力驗算

??? 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[2]和標(biāo)準(zhǔn)[3]的管系熱脹應(yīng)力范圍的驗算，熱脹應(yīng)力屬于有白限性的二次應(yīng)力。煤礦塌陷區(qū)架空敷設(shè)供熱管道支架沉降引起的彎曲應(yīng)力同樣有自限性，也可以列入二次應(yīng)力范疇或把地面沉降按地震引起的管道垂直位移考慮，則：

???

式中σ_all,20——鋼材在20℃時的許用應(yīng)力，Pa，為1.13×10⁸Pa

??? σ_a——由內(nèi)壓、自重和其他持續(xù)外荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力^[3]，Pa

? ??將式(10)代入式(15)并整理，得：

???

??? 根據(jù)式(16)驗算，對于該礦區(qū)預(yù)敷設(shè)的Ф630×8管道，設(shè)計壓力為1.6MPa，總勻布荷載集度為5581N/m，支架間距為14m，不必采取預(yù)應(yīng)力安裝。但是，采取預(yù)應(yīng)力安裝，有利于提高架空敷設(shè)供熱管道運行的安全可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：人民教育出版社，1979.

[2] CJJ 34—2002，城市熱力網(wǎng)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] SDGJ 6—90，火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力計算技術(shù)規(guī)定[S].

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