摘要：基于強(qiáng)度理論和彈性穩(wěn)定理論，給出了不同壓力等級(jí)、壁厚、公稱管徑為500～1400mm的直埋熱水供熱管道局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差、最大允許循環(huán)溫差和屈服溫差曲線，建立了管道工作狀態(tài)分區(qū)圖，對(duì)各區(qū)域管道的最大允許安裝長(zhǎng)度和彈、塑性工作狀態(tài)進(jìn)行了研究。提出了在防止大管徑直埋供熱管道產(chǎn)生局部屈曲的前提下，增大管道最大允許安裝長(zhǎng)度的措施。
關(guān)鍵詞：大管徑直埋管道；局部屈曲；循環(huán)溫差；安裝長(zhǎng)度
Research on Working State and Safety of Large-diameter Directly Buried Heat-supply Pipeline
SUN Jinpeng
Abstract：Based on the strength theory and elasticity stability theory，the curves of local stability circulation temperature difference，maximum circulation temperature difference and yield temperature difference for directly buried hot water heat-supply pipeline with different pressures and wall thicknesses and nominal diameter of 500 to 1400mm are given.The zone diagrams for working state of the pipeline are established，and the maximum allowable installation length and the elastic and plastic working states of the pipeline sections in different zoues are researched.Measures for increasing the maximum allowable installation length are proposed based on preventing local buckling of large-diameter directly buried heatsupply pipeline.
Key words：large-diameter directly buried pipeline；local buckling；circulation temperature difference；installation length
1 概述
???隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和集中供熱的發(fā)展，大管徑(DN1400mm)、高溫(150℃)、高壓(2.5MPa)直埋熱水預(yù)制保溫管道日益普及，此類直埋管道可能出現(xiàn)的失效方式包括強(qiáng)度失效和穩(wěn)定失效。強(qiáng)度失效包括內(nèi)壓和持續(xù)外荷載引起的一次應(yīng)力產(chǎn)生的塑性變形，溫度變化引起的二次應(yīng)力產(chǎn)生的循環(huán)塑性變形，以及在溫度變化過(guò)程中應(yīng)力集中產(chǎn)生的疲勞破壞[1]?；诎捕ㄐ苑治隼碚摚墨I(xiàn)[2]、[3]分別針對(duì)DN 500mm及DN 1000mm以下管道的強(qiáng)度失效和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。
??? 除強(qiáng)度失效外，直埋供熱管道可能出現(xiàn)整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)。當(dāng)公稱直徑大于500mm時(shí)，管道局部屈曲出現(xiàn)的概率將大大增加，管道局部將產(chǎn)生較大的變形，導(dǎo)致局部褶皺。其直接原因是溫差作用下管道的軸向應(yīng)變，取決于熱脹變形的大小和熱脹變形的釋放程度。同時(shí)，局部屈曲出現(xiàn)的可能性與管徑和壁厚緊密相關(guān)，隨著壁厚的增加，產(chǎn)生局部失穩(wěn)的可能性減小，而隨著管徑的增大則更易發(fā)生局部失穩(wěn)。
??? 因此，如何將強(qiáng)度分析理論與局部穩(wěn)定分析理論相結(jié)合，綜合考慮壓力、循環(huán)溫差、管徑、壁厚對(duì)管道工作狀態(tài)和安全性的影響，成為大管徑預(yù)制保溫管直埋敷設(shè)研究中亟待解決的問(wèn)題。
2 3種控制溫差曲線
根據(jù)經(jīng)典的彈性穩(wěn)定理論，參考鋼制壓力容器的分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，直埋管道局部屈曲的許用軸向臨界壓應(yīng)力計(jì)算公式為[4]：
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式中σcr——許用軸向臨界壓應(yīng)力，MPa
??? E——鋼材的彈性模量，MPa
??? δ——管道壁厚，MPa
??? R——管道外半徑，mm
根據(jù)一次應(yīng)力和二次應(yīng)力共同作用下的安定性分析理論[3]，管道的應(yīng)力變化不應(yīng)超過(guò)其基本許用應(yīng)力的3倍，因此可以得到局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差△tcr，見(jiàn)式(2)。
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式中△tcr——局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差，℃
??? σall——直埋管道的基本許用應(yīng)力，MPa
??? υ一一管材的泊松數(shù)
??? σt——內(nèi)壓作用在管壁上的環(huán)向應(yīng)力，MPa，計(jì)算公式見(jiàn)式(3)
α——鋼材的線膨脹系數(shù)，K-1
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式中p——管道的工作壓力，MPa
??? D0——管道外直徑，mm
??? D1——管壁減薄后的內(nèi)直徑，mm，取值方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]
??? 設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa和2.5MPa時(shí)，不同管徑和壁厚管道的局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差見(jiàn)圖1、2。
基于安定性分析理論，文獻(xiàn)[3]給出了不同管徑和設(shè)計(jì)壓力下管道的最大允許循環(huán)溫差△tmax與屈服溫差△ty的計(jì)算方法，見(jiàn)式(4)、(5)。這兩種溫差也與管道壁厚密切相關(guān)。設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，不同管徑和壁厚管道的最大允許循環(huán)溫差、屈服溫差分別見(jiàn)圖3、4。
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式中σs——管道的屈服極限，MPa
