直埋蒸汽管道应力计算与分析_配套专业

摘要

针对某直埋蒸汽管道工程，对工作管管材、壁厚的选择与计算方法进行探讨，采用 Bentley AutoPIPE 管道分析软件对计算管段的工作管进行了应力计算与分析。

摘　要：针对某直埋蒸汽管道工程，对工作管管材、壁厚的选择与计算方法进行探讨，采用Bentley AutoPIPE管道分析软件对计算管段的工作管进行了应力计算与分析。

关键词：直埋蒸汽管道；工作管；应力计算

Stress Calculation and Analysis of Directly Buried Steam Pipeline

Abstract：The selection of working pipe material and wall thickness and its calculation method in a directly buried steam pipeline engineering are discussed．The stress calculation and analysis of working pipe in calculation of the pipe section are performed by using Bentley AutoPIPE software．

Keywords：directly buried steam pipeline；working pipe；stress calculation

直埋蒸汽管道的研究始于20世纪90年代初期，是在直埋热水管道技术的基础上发展起来的。随着城市规模的不断扩大和规划部门对城市景观越来越严苛的要求，近年来直埋蒸汽管道运用较为广泛[1-2]。本文结合工程实例，采用Bentley AutoPIPE管道分析软件对直埋蒸汽管道工作管的应力计算进行探讨。

1　工程概况

以无锡市某蒸汽热网工程为例进行直埋蒸汽管道工作钢管的应力计算与分析。输送介质为过热蒸汽，蒸汽管道设计参数为：设计压力1.6MPa，设计温度350℃，设计质量流量128t／h。工作参数为：工作压力1.1～1.3MPa，工作温度310℃。工作钢管外直径720mm，属压力管道GB2类。

预制直埋蒸汽保温管采用外滑动内固定型，截面结构见图1。

直埋蒸汽管道应力计算与分析

隔热环可选用硅酸铝板，保温层可采用软质材料，隔热环、保温层与工作钢管紧密结合，捆绑成一个整体，并与工作钢管在热膨胀时同时运动。外护钢管与保温层之间留有空气层，既起到进一步保温作用，又是排潮的良好通道。外护钢管设计参数：计算最高温度95℃，安装温度5℃，计算压力0.2MPa，外直径1220mm。由图1可知，对于外滑动内固定型直埋蒸汽管道，直埋敷设条件下，工作钢管可视为在封闭的外护钢管内的架空敷设，工作钢管采用有补偿安装方式，外护钢管采用无补偿冷安装方式。因此，架空敷设管道的应力计算方法适用于直埋蒸汽管道工作钢管。

2　工作钢管管材及壁厚的选择与计算

①直管段

直管段计算壁厚ds,d的计算式为：

ds,d=ds+d1+d2 (1)

ds=pdo/[2(sall,th+pg)] (2)

式中ds,d——直管段计算壁厚，m

ds——直管段最小壁厚，m

d1——制造偏差，m，取0.0008m

d2——腐蚀裕量，m，取0.0015m

p——工作钢管设计压力，Mpa

do——直管段外直径，m

sall,t——设计温度下钢材的许用应力，Mpa

h——许用应力修正系数，无缝钢管取1.0，螺旋焊缝钢管取0.9

g——温度修正系数，取0.4

目前，供热行业普遍采用的钢材为Q2358、20号，设计温度(350℃)下，Q2358钢材的许用应力sall,t为77MPa，20号钢材的许用应力sall,t为96MPa。由式(1)、(2)计算得到的Q2358螺旋焊缝钢管、20号螺旋焊缝钢管、20号无缝钢管直管段计算壁厚见表1。

直埋蒸汽管道应力计算与分析

由表1可知，20号无缝钢管的计算壁厚最小，Q2358螺旋焊缝钢管的计算壁厚最大，20号螺旋焊缝钢管的计算壁厚居中。综合考虑钢管性能、造价，该工程选用20号螺旋焊缝钢管，考虑钢管制造过程中的人为因素后，公称壁厚取12mm。

②弯头

弯头的曲率半径为1.5倍公称直径，弯头壁厚增大系数取1.25，即弯头的最小壁厚为直管段最小壁厚与弯头壁厚增大系数的乘积，仍考虑制造偏差s1、腐蚀裕量s2，弯头的计算壁厚为12.78mm。因此，该工程弯头的壁厚选取13mm，考虑弯头受力较大，选取20号无缝弯头。

3　应力计算与分析

3.1　分析对象

计算管段的平面布置见图2，图中数值单位为m。90°弯头两侧设置分别设置1个导向支架(每个导向支架距弯头6m)、1个固定支架。图2中仅给出了固定支架、波纹管补偿器，导向支架、滑动支架的布置方式见图3，图3中沿横向方向滑动的支架为导向支架，沿横向和纵向方向滑动的支架为滑动支架。每两个固定支架间，设置5个滑动支架。

3.2　应力计算软件介绍

采用Bentley AutoPIPE管道分析软件对计算管段进行应力计算与分析。Bentley AutoPIPE管道分析软件是一个全面集成的管道分析与设计解决方案的软件，具有类似AutoCAD的图形界面以及独特的对象技术、快速分析、逼真的动画和可视化工具。该软件融合了美国、英国、欧洲、德国、日本、中国等国家的标准与设计原则，从而为管道系统提供全面的分析。Bentley AutoPIPE管道分析软件主要是计算当管道系统受到静态、动态荷载时，管道系统所承受的应力、变形量。

3.3　输入参数

选用静态条件下架空管道应力分析模型，执行标准ASME B31．1《动力管道》。静态荷载：热膨胀力、内压力、重力，设计温度350℃，设计压力1.6MPa。管材选择20号螺旋焊缝钢管，设计温度下的许用应力在选定管材时自动从后台数据库调用。隔热环材料为硅酸铝，保温层材料为耐高温超细玻璃棉，补偿器为外压式轴向波纹管补偿器。阀门为蝶阀，规格为DN 700mm，管道连接方式为焊接。采用软件建立的计算管段模型见图3。

3.4　应力计算结果

点击下拉选单中的“分析”按钮，再点选“静力分析”，进行静态荷载条件下的应力计算。主要应力计算结果为：

最大位移出现在节点A51，位移量为264.33mm。最大约束受力出现在节点A00，约束受力为864482N。最大约束力矩出现在节点A05，力矩为497357N·m。最大持续应力(由持续荷载产生的应力)出现在节点A08，计算应力为32.41MPa，修正许用应力(考虑许用应力修正系数)为86MPa，应力比(计算应力与修正许用应力之比，当应力比小于1时，认为该节点安全)为0.38。最大弯曲应力出现在节点A07，计算弯曲应力为115.8MPa，允许弯曲应力为184.0MPa，应力比为0.63。最大环向应力出现在节点A00，计算环向应力为54.22MPa，修正许用应力为86MPa，应力比为0.63。