摘 要

摘　要：针对一侧活动端为弯头，另一侧活动端为波纹管补偿器的水平转角管段，对管段状态(锚固段、过渡段)、过渡段存在驻点的判定方法进行了探讨。关键词：直埋供热管道； 水平转角管

摘　要：针对一侧活动端为弯头，另一侧活动端为波纹管补偿器的水平转角管段，对管段状态(锚固段、过渡段)、过渡段存在驻点的判定方法进行了探讨。

关键词：直埋供热管道；  水平转角管段；  锚固段；  过渡段；  驻点

Judgment Methods of State and Stagnation Point Existence of Directly Buride L-type Pipe Section

Abstract：For L-type pipe section with bend at one activity end and bellows type expansion joint at other end，the judgment methods of pipe section state (fully restrained section and partly restrained section)and the existence of stagnation point in partly restrained section are discussed．

Keywords：directly buried heat-supply pipeline；L-type pipe section；fully restrained section；partly restrained section；stagnation point

 

直埋供热管道驻点是两端为活动端的直线管段，当管道温度变化且今线管道产生朝向两端或背向两端的热位移，管道上位移为零的点。驻点易因温度、土壤摩擦力等的变化发生移动。根据管子及附件(补偿器、阀门、三通等)的强度要求，考虑工程安全，需要设置固定点。

考虑经济性，通过理论计算，将供热管道上的驻点设置为固定点，可有效减小固定支座所受推力及尺寸，降低工程造价^[1-2]。本文对直埋水平转角管段状态(锚固段、过渡段)及过渡段存在驻点的判定方法进行探讨。

1　供热管道受力分析

①外力

供热管道所受外力主要包括：盲板力(由管道内压产生的力)、过渡段受到的土壤摩擦力(管道位移变形受到土壤约束产生的力)、活动端位移产生的作用力。

盲板力Fn的计算式为：

 

式中Fn——盲板力，N

A——内压作用有效截面积，m²

p——供热管道工作压力，Pa

d——工作钢管内直径，m

过渡段受到土壤摩擦力Fz的计算式为：

Fz＝FminLz              (2)

式中Fz——过渡段受到的土壤摩擦力，N

Fmin——单位长度直埋保温管外壳与土壤的最小摩擦力，N／m

Lz——过渡段长度，m

活动端位移产生的作用力主要包括：弯头弹性力、补偿器补偿位移产生的力(波纹管补偿器弹性力、套筒补偿器摩擦力、旋转补偿器扭力)，波纹管补偿器弹性力Ft的计算式为：

Ft＝kaLzDt             (3)

式中Ft——波纹管补偿器弹性力，N

k——波纹管刚度，N／m

a——钢材的线性膨胀系数，K^-1

Dt——运行温度与安装温度之差，℃

②内力

内力指由于温度、压力发生变化，供热管道变形受到外力约束而产生的力。

对于锚固段，当变形完全被外力(土壤摩擦力等)约束而未得到释放时，产生的内力Fa的计算式为：

Fa＝EaDtAp            (4)

式中Fa——对于锚固段，当变形完全被外力约束而未得到释放时产生的内力，N

E——钢材弹性模量，Pa

Ap——工作钢管管壁截面积，m²

2　直埋水平转角管段模型

本文分析对象为一侧活动端为补偿弯头，另一侧活动端为波纹管补偿器的直埋水平转角管段，设定管段中存在不发生位移的点A，管段模型受力分析见图1。

 

图中L1——波纹管补偿器与点A的距离，m

L2——点A与弯头的距离，m

Fz,1——点A左侧过渡段受到的土壤摩擦力，N

Fx,2——点A右侧过渡段受到的土壤摩擦力，N

Fn,c——波纹管补偿器受到的盲板力，N

Fn,b——弯头受到的盲板力，N

F——弯头弹性力(土壤对弯头的反作用力)，N

Fn,c的计算式为：

Fn,c＝p(Ac-A)          (5)

式中Ac——波纹管补偿器有效截面积，m²

Fn,b的计算式为：

Fn,b＝pA              (6)

3　管段模型状态及驻点存在判定

　　①管段模型状态判定

判定管段是否为锚固段的依据为管段变形是否完全被外力约束，当变形完全被约束时，管段处于锚固状态，此时锚固段承受的内力达到最大值Fa。设管段模型存在锚固段，其中锚固段左右两侧过渡段长度分别为Lm、Ln，管段模型的受力分析见图2。

 

当管段存在锚固段时，对于锚固段左侧、右侧有：

Fa＝Fz,m+Fn,c+Ft＝FminLm+p(Ac-A)+kaLmDt       (7)

Fa＝Fz,n-Fn,b+F＝FminLn-pA+F                 (8)

式中Fz,m、Fz,n——管段m、n受到的土壤摩擦力，N

将式(7)、(8)相加，得到：

2Fa＝Fmin(Lm+Ln)+p(Ac-A)+kaLmDt-pA+F        (9)

若将L1+L2替代Lm+Ln，L1替代Lm代入式(9)，则有：

F¢＝FminL+p(Ac-Ap)+kaL1Dt-pA+F

F¢>2Fa                       (10)

则式(10)可作为判别管段模型存在锚固段的判别式。根据工程经验：弯头弹性力、补偿器弹性力相对于过渡段受到土壤摩擦力可忽略不计，因此可将式(10)简化为：

F¢＝FminL+p(Ac-2A)

F¢>2Fa                 (11)

管段整体为过渡段的判别式为：

F¢≤2Fa               (12)

②驻点存在判定

判定管段模型存在驻点应同时满足两个条件：条件l：管段整体为过渡段；条件2：驻点位移为零。在满足条件1下，判定是否满足条件2。驻点位移为零，即受到的合力为零。若点A为驻点，则有：

Fz,1+Fn,c+Ft＝Fz,2-Fn,b+F         (13)

仍忽略Ft、F，式(13)可简化为：

FminL1+pAc＝FminL2               (14)

将L2=L-L1代入式(14)，可得：

pAc＝Fmin(L-2L1)                (15)

由此可得到，条件2的判别式为：

pAc<FminL                      (16)

当同时满足式(12)、(16)时，管段模型存在驻点。由式(15)可得到，驻点与波纹管补偿器的距离L1的计算式为：

 

4　结语

在供热管道设计过程中判定管道状态、确定驻点位置十分重要，将固定支座设置于驻点可大幅降低固定支座承受的推力，从而降低工程造价。

 

参考文献：

[1]冯继蓓，孙蕾，梁永建．直埋水平转角管段驻点位置的影响因素[J]．煤气与热力，2006，26(2)：56-58．

[2]李风雷．直埋敷设中减少补偿器和固定支座的方法[J]．煤气与热力，2007，27(1)：64-66．

 

本文作者：常俊志  单既国  李宏俊  刘巍

作者单位：中国市政工程华北设计研究总院

  青岛能源设计研究院有限公司