賀曉亮

1 概述

直埋敷設(shè)轉(zhuǎn)角管段，在石油、天然氣長(zhǎng)輸管線中大量使用，且由于石油、天然氣長(zhǎng)輸管線常常敷設(shè)在荒郊野外，甚至翻山越嶺，折角通常較大，北京石油大學(xué)的崔孝秉教授做過(guò)大量的研究［1，2］，其研究的結(jié)果正在石油、天然氣行業(yè)，以及相關(guān)領(lǐng)域得到采納或者借鑒。在20世紀(jì)70年代進(jìn)行了“熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)試驗(yàn)研究”課題的研究工作，并在1987年根據(jù)研究結(jié)果進(jìn)行分析、總結(jié)所編制的《熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)設(shè)計(jì)與計(jì)算》一書［3］中，引用崔孝秉教授的研究成果，提出了直埋供熱豎向轉(zhuǎn)角管段受力計(jì)算的方法。文中對(duì)影響豎向彎頭應(yīng)力變化幅度的因素進(jìn)行了分析，從而采取有效措施提高豎向彎頭的安全性。

2 豎向轉(zhuǎn)角管段的影響因素

為了使研究和分析的成果更具有針對(duì)性，能夠直接為豎向直埋轉(zhuǎn)角管段的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒，將分析的基礎(chǔ)參數(shù)及管網(wǎng)工作參數(shù)界定在《規(guī)程》規(guī)定的范圍內(nèi)，即:工作壓力不大于1.6 MPa，循環(huán)最高溫度為130℃，循環(huán)最低溫度10℃，預(yù)制保溫管為聚乙烯外護(hù)、聚氨酯保溫，Q235鋼管，土壤與高密度聚乙烯外護(hù)間的摩擦系數(shù)μmin=0.2，μmax=0.4，土壤的密度取ρ=1 800 kg/m3?？紤]到為盡可能全面地反映各因素的影響程度，在《規(guī)程》規(guī)定的參數(shù)范圍內(nèi)，選擇和改變一系列的設(shè)計(jì)參數(shù)，按照轉(zhuǎn)角管段兩臂對(duì)稱自然錨固的狀態(tài)，計(jì)算出錨固彎矩變化范圍。

2.1 管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力對(duì)彎頭應(yīng)力變化幅度的影響

當(dāng)兩臂無(wú)限長(zhǎng)(lcd=ltd)，Rc=3DN，h=1.2 m，φ=90°，ΔT= 120℃時(shí)，壓力與彎頭應(yīng)力變化幅度圖見圖1。

由圖1可知，隨著壓力的增加，彎頭應(yīng)力變化幅度緩慢減小，由此可見在彎頭應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)注意設(shè)計(jì)壓力的選取。

2.2 管頂埋深對(duì)彎頭應(yīng)力變化幅度的影響

當(dāng)兩臂無(wú)限長(zhǎng)(lcd=ltd)，Rc=3DN，Pn=1.6 MPa，φ=90°，ΔT= 120℃時(shí)，埋深與彎頭應(yīng)力變化幅度圖見圖2。

由圖2可以看出，隨著管頂埋深的增加彎頭應(yīng)力變化幅度緩慢降低。在同樣條件下，大口徑彎頭應(yīng)力變化幅度會(huì)遠(yuǎn)小于小口徑彎頭。大口徑豎直向下彎頭隨埋深的變化彎頭應(yīng)力變化幅度不明顯，所以不能通過(guò)調(diào)整埋深來(lái)滿足彎頭疲勞強(qiáng)度的要求。

2.3 循環(huán)溫差對(duì)彎頭應(yīng)力變化幅度的影響

當(dāng)兩臂無(wú)限長(zhǎng)(lcd=ltd)，Rc=3DN，Pn=1.6 MPa，φ=90°，h=1.2 m時(shí)，循環(huán)溫差與彎頭應(yīng)力變化幅度圖見圖3。

由圖3可以看出，隨著循環(huán)溫差的增加豎向彎頭應(yīng)力變化幅度顯著增加，大口徑彎頭應(yīng)力變化幅度在同條件下要遠(yuǎn)小于小口徑彎頭應(yīng)力變化幅度，故隨著管徑的增大，抵抗二次應(yīng)力破壞的能力越強(qiáng)。小口徑豎向彎頭的應(yīng)力變化幅度增加速度比大口徑豎向彎頭應(yīng)力變化幅度快。

2.4 彎頭曲率半徑對(duì)彎頭應(yīng)力變化幅度的影響

當(dāng)兩臂無(wú)限長(zhǎng)(lcd=ltd)，ΔT=120℃，Pn=1.6 MPa，h= 1.2 m時(shí)，曲率半徑與彎頭應(yīng)力變化幅度圖見圖4。

由圖4可以看出，隨著豎向彎頭曲率半徑的增加豎向彎頭應(yīng)力變化幅度顯著降低，彎頭曲率半徑是影響彎頭應(yīng)力變化幅度主要的因素，并且隨著管徑的增加，彎頭應(yīng)力變化幅度越小。

2.5 轉(zhuǎn)角管段的折角對(duì)彎頭應(yīng)力變化幅度的影響

當(dāng)兩臂無(wú)限長(zhǎng)(lcd=ltd)，Rc=3DN，ΔT=120℃，Pn= 1.6 MPa，φ=90°，h=1.2 m時(shí)，豎向轉(zhuǎn)角管段的折角與彎頭應(yīng)力變化幅度圖見圖5。

由圖5可以看出，隨著豎向轉(zhuǎn)角管段的折角的增加彎頭應(yīng)力變化幅度先增加后降低。在相同條件下，隨著管徑的增加彎頭應(yīng)力變化幅度明顯降低。關(guān)于彎頭壁厚對(duì)彎頭應(yīng)力幅度的影響不再討論，根據(jù)已有的文獻(xiàn)可知，彎頭壁厚對(duì)彎頭應(yīng)力幅度的影響不明顯，可以作為安全余量［6］。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可得，管網(wǎng)設(shè)計(jì)壓力、埋深、循環(huán)工作溫差、彎頭的曲率半徑和轉(zhuǎn)角管段的轉(zhuǎn)角對(duì)直埋供熱豎向轉(zhuǎn)角管段彎頭的承載能力有不同程度的影響，且影響的規(guī)律不同，其中循環(huán)工作溫差、彎頭的曲率半徑和轉(zhuǎn)角管段的折角的影響最為明顯。這些計(jì)算規(guī)律與文獻(xiàn)［7］吻合。

［1］ 崔孝秉.埋地長(zhǎng)輸管道水平彎頭的升溫載荷近似分析［J］.華東石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1978(2):54-68.

［2］ 崔孝秉.“L”形及“Z”形直埋熱力管道的內(nèi)力計(jì)算［J］.華東石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1981(3):64-79.

［3］ 北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院.熱力管道無(wú)補(bǔ)償直埋敷設(shè)設(shè)計(jì)與計(jì)算［Z］.1987.

［4］ 王 飛，張建偉.直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007:73-74.

［5］ CJJ/T 81-98，城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］ 韓 飛，張俊紅.基于彈性抗彎鉸解析法的直埋水平轉(zhuǎn)角彎頭承載能力影響因素分析［J］.區(qū)域供熱，2008(1):48-57.

［7］ 肖錫發(fā).影響直埋供熱豎向轉(zhuǎn)角管段彎頭承載能力的因素分析［J］.區(qū)域供熱，2000(2):21-24.