城镇供热直埋热水管道装置应力验算方法.docx

城镇供热直埋热水管道应力验算方法1 一般规定1.1 管道的应力验算应采用应力分类法，并应符合下列规定：1一次应力的当量应力不应大于钢材的许用应力；2一次应力和二次应力的当量应力变化范围不应大于3倍钢材的许用应力；3局部应力集中部位的一次应力、二次应力和峰值应力的当量应力变化幅度不应大于3倍钢材的许用应力。1.2 进行管道应力计算时，计算参数应按下列规定取值：1计算压力应取管道设计压力；2工作循环最高温度应取供热管网设计供水温度；3工作循环最低温度，对于全年运行的管道应取30,对于只在采暖期运行的管道应取10；4计算安装温度应取安装时的最低温度；5计算应力变化范围范围时，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；6计算轴向力时，计算温差应采用工作循环最高温度与计算安装温度之差,1.3 保温管与土壤之间的单位长度摩擦力应按下式计算：/1+/Cq2F=PZ×Dc×yG-D×p×gQC)(5.1.3-1)KO二sin(5,1,3.2)式中：F一一单位长度摩擦力(Nm)；一一摩擦系数;DC一一外护管外径（m）；°y一管道中心线处土壤应力（Pa）；G包括介质在内的保温管单位长度自重（Nm）；P一一土壤密度（kgm3）,可取1800kgm3;Q一一重力加速度（ms2）；KO土壤静压力系数；一回填土内摩擦角（°）,砂土可取30。1.4 土壤应力应按下列公式计算：1当管道中心线位于地下水位以上时的土壤应力：°PXgXH（5.1.44）式中：°y管道中心线处土壤应力（Pa）P一一土壤密度（kgm3）,可取1800kgm3;fJ重力加速度（ms2）；H一一管道中心线覆土深度（m）；2当管道中心线位于地下水位以下时的土壤应力：v=p×g×Hw+psw×g(H-Hw)(5.1.4-2)p式中：LSW一一地下水位线以下的土壤有效密度（kgm3）,可取IoOOkg/m3；"w一一地下水位线深度（m）。1.5 保温管与土壤间的摩擦系数应根据回填条件确定，可按表5.1.5采用。表5.1.5保温管外壳与土壤间的摩擦系数回填料摩擦系数最大摩擦系数max最小摩擦系数min中砂0.400.20粉质粘土或砂质粉土0.400.155.1.6管道径向位移时，土壤横向压缩反力系数宜根据当地土壤情况实测数据确定，当无实测数据时，可按下列规定确定：1管道水平位移时，可按1x106Nm310×106Nm3取值；2管道水平位移，对于粉质粘土、砂质粉土,回填密实度为90%95%时，可按3x106Nm34l06Nm3取值；3管道竖向向下位移时，可按5x106Nm3100l06Nm3取值。1.7钢材的许用应力应根据钢材有关特性，取下列两式中的较小值：r10bllL（5.172）式中：0一一钢材的许用应力（MPa）；°b一一钢材的抗拉强度最小值（MPa）。一钢材的屈服极限最小值（MPa）。2管壁厚度计算2.1 工作管的最小壁厚应按下式计算：Pd×D02×UY×Pd（S*式中：“。?一一工作管最小壁厚（m）；Pd一一管道计算压力（MPa）；°。一一工作管外径（m）；°一一钢材的许用应力（MPa）；fI一一许用应力修正系数，无缝钢管取LO,螺旋焊缝钢管可取0.9；Y温度修正系数，可取0.4。2.2 工作管的公称壁厚应按下式确定：mB（522）式中：6工作管公称壁厚（m）；“E一一工作管最小壁厚（m）；B一一管道壁厚负偏差附加值（m）。2.3 管道壁厚负偏差附加值，应根据管道产品技术条件的规定选用。或按下列方法确定:1钢管壁厚负偏差附加值可按下式计算:B=X×6m（5.2.3）式中：B一一管道壁厚负偏差附加值（m）；,m一一工作管最小壁厚（m）；X一一管道壁厚负偏差系数，可按表5.2.3选取。表523管道壁厚负偏差系数管道壁厚偏差（）0-5-8-9-10-11-12.5-15管道壁厚负偏差系数0.0500.0530.0870.0990.1110.1240.1430.1762当焊接钢管产品技术条件中未提供壁厚允许负偏差值时,壁厚负偏差附加值可采用钢板厚度的负偏差值，但壁厚负偏差附加值不得小于0.5mm。3直管段应力验算3.1工作管的屈服温差应按下列公式计算：Ary=T"X%一（1）%xkj（5.3.1-DPd×Di%26（5.3.1-2）式中：ATy一一工作管屈服温差CC）；°一一钢材的线膨胀系数m（m-）；£一一钢材的弹性模量（MPa）；n一一屈服极限增强系数，取1.3；°S钢材的屈服极限最小值（MPa）；V一一钢材的泊松系数，取0.3；一一管道内压引起的环向应力（MPa）；Pd管道计算压力（MPa）；Di一一工作管内径（m）：>工作管公称壁厚（m）。3.2直管段的过渡段长度应按下列公式计算：1直管段过渡段最大长度：×E（t-to）-v×l4×lO6Lmax=F（53.2-1）at1-t0>Tyw,t1-t0=M'y2直管段过渡段最小长度：a×F（t-to）-v×t4×IO6Lmin=pmax（53.2-2）当1-10>"7"时,取1一10二八79式中,111皿一一直管段的过渡段最大长度（m）；Lmm一一直管段的过渡段最小长度（m）；Fmax单位长度最大摩擦力（Nm）；min一单位长度最小摩擦力（Nm）；°一一钢材的线膨胀系数m（m-）；E钢材的弹性模量（MPa）；1一一管道工作循环最高温度（）；10一一管道计算安装温度（）:V一一钢材的泊松系数，取0.3；一一管道内压引起的环向应力（MPa）；4一一工作管管壁的横截面积（m2）；ATV一一工作管屈服温差（）o3.3 在管道工作循环最高温度下，过渡段内工作管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：NrmaXFmaXXL+（5.3.3-I）当!Lmin时，取/=°mm2最小轴向力：NrminFminXL'+Ff（5.33-2）式中：max过渡段内计算截面的最大轴向力（N）:Nlmm一一过渡段内计算截面的最小轴向力（N）；Fmax一一单位长度最大摩擦力（Nm）；mm一一单位长度最小摩擦力（Nm）；L一一过渡段内计算截面距活动端的距离（m）；Ff一一活动端对管道伸缩的阻力（N）Lmm一一直管段的过渡段最小长度（m）。3.4 在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：lV9M×f（t1-t0）-veX×IO6（534）当t-'o>7y时，取匕一'。二7y式中：Na一一锚固段的轴向力（N）；°一一钢材的线膨胀系数m（m）；E一一钢材的弹性模量（MPa）；1一一管道工作最高循环温度（）；t一一管道计算安装温度（）；v一一钢材的泊松系数，取0.3；,一管道内压引起的环向应力（MPa）；A一一工作管管壁的横截面积（m2）05.3.5对工作管直管段的当量应力变化范围应进行验算，并应符合下列规定：1当量应力变化范围应按下式计算:y=(l-v)f+a×E(f1-t2)式中：°1一一内压、热胀应力的当量应力变化范围（MPa）：V一一钢材的泊松系数，取0.3：°，一一管道内压引起的环向应力（MPa）；。一一钢材的线膨胀系数m（m-）；上一一钢材的弹性模量（MPa）；1一一管道工作循环最高温度（）；2一一管道工作循环最低温度（OC）；°一一钢材的许用应力（MPa）。2当不能满足公式（535）时，管系设计时不应布置锚固段，且过渡段长度应按下式计算:空尸4xWLLbpmaX（53.5-2）式中：L一一设计布置的过渡段长度（m）；°一一钢材的许用应力（MPa）；°t一一管道内压引起的环向应力（MPa）；4 一一工作管管壁的横截面积（m2）：Fmax单位长度最大摩擦力（N）。4直管段局部稳定性验算4.1 对由于土壤摩擦力约束热胀变形或局部沉降造成的高内力的直管段，不得出现局部屈曲、弯曲屈曲和皱折。4.2 公称直径大于50Omm的管道应进行局部稳定性验算，并应符合下式计算规定：/E)+ v×Pd2× 74a×F(t1-t0) + v×Pd2-v×E×Pd"4a×E（t-t05 5.4.2）式中：“。一一工作管外径（m）；6一工作管公称壁厚（m）；a一一钢材的线膨胀系数m（m）；E一一钢材的弹性模量（MPa）；,1一一管道工作最高循环温度（OC）；t一一管道计算安装温度（°C）；V一一钢材的泊松系数，取0.3；Pd管道计算压力（MPa）。4.3 对于承受较大静土压和机动车动土压的管道不得出现径向失稳。4.4 公称直径大于500mm的管道应按下列公式进行径向稳定性验算：1.728IV×Do=E（63）+2562（5.4.4-1）Aroo3(5.4.4-2)式中：AX一一工作管径向最大变形量（m）；“一一管顶单位面积上总垂直荷载（kPa）,包括管顶垂直土荷载和地面车辆传递到钢管上的荷载，直埋管道管顶单位面积上总垂直荷载应符合表5.4.4的规定；“。一一工作管外径（m）；E一一钢材的弹性模量（kPa）；6一工作管公称壁厚（m）；一一工作管平均半径（m）。表544直埋管道管顶单位面积上总垂直荷载管顶覆土深度（m）管顶单位面积上总垂直荷载kPa）1.3621.4601.5581.6565.1 弯头的升温弯矩及轴向力可采用有限元法计算或按本规程附录C的规定计算。5.2 弯头工作管在弯矩作用下的最大环向应力变化幅度应按下列公式计算:b×M×rbo加二一J×10-6(5.5.2-1),122引力R×6b-bm（5.5.2-3）_Sb3-2（5.5.2-4）式中：Obt一一弯头在弯矩作用下最大环向应力变化幅度（MPa）；Bb一一弯头平面弯曲环向应力加强系数；M一一弯头的弯矩变化范围（Nm）；乩一一弯头工作管横截面的外半径（m）；rbm一一弯头工作管横截面的平均半径（m）；Ib一一弯头工作管横截面的惯性矩（m4）；八一一弯头工作管的尺寸系数；R弯头的曲率半径（m）；8b一一弯头工作管的公称壁厚（m）。5.3 弯头工作管的强度验算应符合下列表达式：ht+0,5pf<3。（5.53-1）PdXrbiOpL0b（5.53-2）式中：Obt一一弯头在弯矩作用下最大环向应力变化幅度（MPa）；°W一一弯头在内压作用下的最大环向应力（MPa）；°一一钢材的许用应力（MPa）；Pd一一管道计算压力（MPa）rbi一一弯头工作管横截面的内半径（m）；Sb弯头工作管的公称壁厚（m）。5.4 三通等管件工作管应根据内压和主管轴向荷载联合作用进行强度验算，应采用应力测定或有限元法进行疲劳分析，当不能满足应力验算条件时应进行加固。5.5 三通工作管加固应采取下列一项或几项措施：1加大主管壁厚，提高三通总体强度（包括采用不等壁厚的锻钢三通）；2在开孔区采取加固措施（包括增加支管壁厚），抑制三通开孔区的变形；3在开孔区周围加设传递轴向荷载的结构。6管道竖向稳定性验算6.1 直管段上的垂直荷载应符合下式：×N2rspmaxrQPlPxl°（5.6.D式中：Q作用在单位长度管道上的垂直分布荷载（Nm）；一安全系数，取Ll;NPgX一一管道的最大轴向力（N）,按本规程（5.3.3-1）式和（5.3.4）式计算；初始挠度（m）；E一一钢材的弹性模量（MPa）；1P一一直管工作管横截面的惯性矩（m4）。6.2 初始挠度应按下式计算:ExpXl()6Mu(5.6.2)当3 <0.01m 时,。取0.01m式中：一一初始挠度（m）；E钢材的弹性模量（MPa）；1P一一直管工作管横截面的惯性矩（m4）；NPnUX 一一管道的最大轴向力（N）,按本规程（5.3.3-1）式或（5.3.4）式计算。6.3垂直荷载应按下列公式计算：Q-GwG-Sff（5.631）×D2G* H×Dc×P×9O（563-2）SF=PXgX/,XKOXtan （56 3_3）KodSin(5.63.4)式中：Q一一作用在单位长度管道上的垂直分布荷载（Nm）；GW一单位长度管道上方的土层重量（Nm）；G包括介质在内的保温管单位长度自重（Nm）；SF一一单位长度管道上方土体的剪切力（Nm）；H一一管道中心线覆土深度（m）；“c一一外护管外径（m）；P一一土壤密度（kgm3）,可取1800kgm3;9一一重力加速度（ms2）；KO一一土壤静压力系数；一一回填土内摩擦角（°）,砂土可取30。6.4当竖向稳定性不满足要求时，应采取下列措施：1增加管道覆土深度或管道上方荷载；2降低管道轴向力。7热伸长计算7.1两过渡段间驻点位置Z（图5.7.1）应按下式计算：2I（，0+，b）C1 rmin/（5.7.1）式中：b一一分别为驻点两侧过渡段长度（m）；F。、Fb一分别为驻点两侧活动端对管道伸缩的阻力（N）,当Fa或Fb的数值与过渡段长度有关，采用迭代计算时，或Fb的误差不应大于10%；Fmin一一管道单位长度最小摩擦力（Nm）。先一图571计算驻点位置简图7.2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:1当q-tA7y或min,整个过渡段处于弹性状态工作时:Z=(D-JX,(5.7.2-1)式中：/一一管段的热伸长量（m）；。一一钢材的线膨胀系数m（m-）；,0一管道计算安装温度（）；1一一管道工作循环最高温度（）；Fmm一一管道单位长度最小摩擦力（Nm）；一一设计布置的管段长度（m）；E钢材的弹性模量（MPa）；A一一工作管管壁的横截面积（m2）；ZV一一工作管屈服温差（°C）；Lmm一一直管段的过渡段最小长度（m）；Lm世一一直管段的过渡段最大长度（m）。2 当1一'>A7y,且/>Lmin,管段中部分进入塑性状态工作时：F×/Nl=（%To）7×-p'J2E×A×1Q6p（5.7.2-2）M=（x（Tmin）（5.7.2-3）式中：RlP过渡段的塑性压缩变形量（m）；3 当“max时，/取LmaX7.3 过渡段内任一计算点的热位移应按下列公式计算：c=-u（573）式中：RId一一计算截面的热位移量（m）；ZQ一一假设过渡段的热伸长量（m）,按5.7.2计算，式中/取计算点到活动端的距离。7.4 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热位移进行补偿时，选用补偿器的补偿能力应符合下列规定：1当过渡段的一端为固定点或锚固点时，补偿器补偿能力不应小于计算热伸长量（或热位移量）的1.1倍；2当过渡段的一端为驻点时，补偿器补偿能力不应小于计算热伸长量（或热位移量）的1.2倍，但不应大于按过渡段最大长度计算出的热伸长量的1.1倍。