3 基于3種控制溫差的管道工作狀態(tài)分區(qū)
??? 以設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa、管徑為DN 1000mm的直埋管道為例，常見壁厚范圍內(nèi)的3種控制溫差見圖5。由圖5可知3種控制溫差的相對關(guān)系，管道的工作狀態(tài)被劃分為6個(gè)區(qū)域(Ⅰ～Ⅵ區(qū))。本文對每個(gè)區(qū)域管道的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。
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???①Ⅰ區(qū)(管道循環(huán)溫差△t＞△tmax)
在該區(qū)域內(nèi)，管道循環(huán)溫差高于最大允許循環(huán)溫差，因此不允許管道進(jìn)入錨固狀態(tài)，且在計(jì)算安裝長度時(shí)，需考慮彈性狀態(tài)和局部穩(wěn)定的需要，得到管道的最大允許安裝長度，見式(6)。
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式中Laz——最大允許安裝長度，m
??? A——直埋管道的截面積，m2
??? Fmax——土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的最大摩擦力，N/m
???土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的摩擦力計(jì)算見式(7)。當(dāng)λ取最大摩擦系數(shù)時(shí)，得到土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的最大摩擦力Fmax；當(dāng)λ取最小摩擦系數(shù)時(shí)，得到土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的最小摩擦力Fmin。
??? F=ρgDcπλ(h+Dc/2)??? (7)
式中F——土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的摩擦力，N/m
??? ρ——土壤密度，kg/m3
??? g——重力加速度，m/s2
??? Dc——預(yù)制直埋管道保溫管外直徑，m
??? λ——摩擦系數(shù)
??? h——管頂埋深，m
??? ② Ⅱ區(qū)(△ty＜△t＜△tmax，△tcr＜△ty)
管道循環(huán)溫差位于最大允許循環(huán)溫差和屈服溫差之間，但是由于此時(shí)局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差小于屈服溫差，因此仍不允許進(jìn)入錨固狀態(tài)，管道的最大允許安裝長度計(jì)算見式(8)。
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???③ Ⅲ區(qū)(△tcr＜△t＜△tmax，△ty＜△tcr)
該區(qū)域內(nèi)的管道最大允許安裝長度計(jì)算公式同式(8)，但是由于屈服溫差小，管道允許進(jìn)入錨固狀態(tài)。管道剛投入運(yùn)行時(shí)對應(yīng)的過渡段最小長度和錨固段最大長度分別見式(9)、(10)。
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式中Lmin——管道的過渡段最小長度，m
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式中Lmax——管道的錨固段最大長度，m
當(dāng)摩擦系數(shù)最小時(shí)，管道過渡段最大長度還須滿足式(8)給出的局部穩(wěn)定條件，其過渡段最大長度為：
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式中Lmax——管道的過渡段最大長度，m
??? Fmin——土壤與單位長度預(yù)制直埋管道保溫管外殼的最小摩擦力，N/m。
???④ Ⅳ區(qū)(△ty＜△t＜△tcr)
管道循環(huán)溫差位于局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差與屈服溫差之間，因此管道安裝長度不受限制，允許進(jìn)入錨固狀態(tài)，其過渡段最小長度和錨固段最大長度同式(9)、(10)，而過渡段最大長度為：
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??? ⑤ Ⅴ區(qū)(△tcr＜△t＜△tcr)
??? 由于循環(huán)溫差小于屈服溫差，因此管道永遠(yuǎn)處于彈性狀態(tài)，但其安裝長度受到局部穩(wěn)定的限制，管道的最大允許安裝長度計(jì)算公式同式(8)。
??? ⑥ Ⅵ區(qū)[△t＜min(△ty，△tcr)]
??? 由于循環(huán)溫差小于屈服溫差和局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差，因此管道處于彈性狀態(tài)下運(yùn)行，管道安裝長度不受限制。圖5是綜合考慮強(qiáng)度計(jì)算理論和彈性穩(wěn)定理論而建立的適合大管徑熱水直埋管道的管道工作狀態(tài)分區(qū)圖。實(shí)際上，對于任意壓力等級下任意壁厚的管道在相應(yīng)的循環(huán)溫差下，都可以在其對應(yīng)分區(qū)圖上找到工作狀態(tài)點(diǎn)，進(jìn)而判斷其所處的區(qū)域和工作狀態(tài)。
4 算例
??? 某熱網(wǎng)首站供水干管為Φ920×10的螺旋縫電焊鋼管，材質(zhì)為Q235，彈性模量為19.6×104MPa，線膨脹系數(shù)為12.6×10-6K-1，基本許用應(yīng)力為125MPa，泊松數(shù)為0.3，管道設(shè)計(jì)壓力為1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度為130℃，安裝溫度為10℃。采用直埋敷設(shè)方式，預(yù)制保溫管外徑為1055mm，管頂埋深約為1.4m。
??? 由以上公式計(jì)算得到3種控制溫差：△tcr=86℃，△tmax=130℃，△ty=101℃。由于循環(huán)溫差△t=120℃，則可以判斷管道工作點(diǎn)位于Ⅱ區(qū)，管道在彈性范圍內(nèi)工作，最大允許安裝長度Laz=119m。
??? 校核其整體失穩(wěn)和截面橢圓化變形條件也可以滿足要求，即如果該管道采用無補(bǔ)償冷安裝敷設(shè)方式，最大允許安裝長度不應(yīng)超過119m。安裝長度如此小是為了防止發(fā)生局部屈曲。
5 增大管道最大允許安裝長度的措施
??? 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度的措施為：
??? ① 適當(dāng)增大鋼管壁厚，局部穩(wěn)定控制循環(huán)溫差和最大允許安裝長度隨之增大，但是如果壁厚超過一定范圍，工程經(jīng)濟(jì)性將變差。
??? ② 預(yù)熱安裝，減小熱脹變形和溫差引起的軸向應(yīng)變，可以有效降低局部失穩(wěn)出現(xiàn)的概率。預(yù)熱安裝需要計(jì)算合適的預(yù)熱溫度[5]，以防止冷水運(yùn)行或降溫過程中發(fā)生管道斷裂。同時(shí)，還應(yīng)考慮管道檢修、閥門更換時(shí)已拉伸管道回縮的現(xiàn)象，切管后如果不采取措施，需重新對該管段進(jìn)行冷安裝狀態(tài)下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算。
??? ③ 設(shè)置補(bǔ)償器。對于熱網(wǎng)的輸送干管而言，增加了熱網(wǎng)維修點(diǎn)和發(fā)生故障的概率。
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