直埋蒸汽外護管直管穩定性及彎頭強度驗算

喬正凡， 車鳳勤， 王 磊

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430014)

1 概述

正常運行期間，直埋蒸汽管道外護管表面溫度不大于50 ℃，在內固定支座、滑動支座等處外護管的溫度不大于60 ℃。在運行初期，施工階段保溫層中留存的水會被加熱沸騰汽化從排潮管排出，外護管表面溫度將達到100 ℃左右。外護管受土壤約束，在溫度變化時，其受力與直埋熱水管道類似，在工程中多采用無補償方式敷設。本文結合工程實例，對直埋蒸汽管道外護管直管段穩定性進行校核，對彎頭進行強度驗算。

2 項目概況

某直埋蒸汽管道設計壓力為1.6 MPa，設計溫度為280 ℃，外護管表面計算溫度為50 ℃。預制直埋蒸汽管采用外滑動結構[1]，保溫層、內滑動支座隨工作管在外護管內沿軸向自由移動。外護管為D1120×12螺旋縫雙面埋弧焊鋼管(材質為Q235B)，外護管彎頭曲率半徑為1.5倍直管外直徑，采用斜接彎頭。外護管管頂覆土深度為1.3 m，外護管外防腐層為聚乙烯防腐層。

3 直管段穩定性校核

外護管雖然不承受內壓，但CJJ/T 104—2014《城鎮供熱直埋蒸汽管道技術規程》第5.2.3條規定，需進行局部穩定性驗算、徑向穩定性驗算，并符合CJJ/T 81—2013《城鎮供熱直埋熱水管道技術規程》的相關規定。

3.1 局部穩定性驗算

外護管局部穩定性驗算式應符合CJJ/T 81—2013公式(5.4.2)：

(1)

β=αE(t1-t0)+νp

(2)

式中do——外護管外直徑，m

δ——外護管壁厚，m

E——鋼材彈性模量，MPa

β——中間參數

ν——鋼材的泊松系數，取0.3

p——外護管計算壓力，MPa

α——鋼材的線膨脹系數，K-1

t1——外護管工作循環最高溫度，℃

t0——外護管計算安裝溫度，℃

CJJ/T 104—2014第5.2.2條第1款規定，在應力計算時，外護管最高溫度取95 ℃。因此，式(1)中外護管工作循環最高溫度取95 ℃。由CJJ/T 81—2013附錄B選取鋼材彈性模量、鋼材的線膨脹系數分別為20.0×104MPa、12.2×10-6K-1。根據CJJ/T 104—2014第5.2.2條第3款，外護管計算壓力取0.2 MPa。管道計算安裝溫度取10 ℃。將已知參數代入式(1)、(2)，由計算結果可知，外護管滿足局部穩定性驗算條件。

3.2 徑向穩定性驗算

CJJ/T 104—2014第7.2.3條規定，外護管的徑向變形量不得大于或等于外直徑的3%。這條規定與CJJ/T 81—2013公式(5.4.4-2)一致。CJJ/T 104—2014第7.2.3條明確規定，外護管變形量按CJJ/T 104—2014附錄C計算。因此，外護管徑向穩定性驗算式為：

Δd≤0.03do

(3)

(4)

(5)

(6)

式中 Δd——外護管的徑向變形量，m

J——鋼管變形滯后系數，取1.5

K——基座系數

W——單位管長上的總垂直載荷，MN/m

r——外護管的平均半徑，m，為0.554 m

I——單位長度管壁截面的慣性矩，m4/m

E′——回填土的變形模量，MPa

ρ——回填土的密度，kg/m3，本文取1 800 kg/m3

g——重力加速度，m/s2，本文取9.8 m/s2

h——外護管管頂覆土深度，m

jc——沖擊系數，取1.0

Gv——車輛的單輪輪壓，MN

外護管管頂覆土深度取1.3 m。基座系數、回填土的變形模量根據CJJ/T 104—2014表C.0.1選取，管道按敷設在砂卵石或碎石墊層考慮，基座系數、回填土的變形模量分別選取為0.096、3.5 MPa。CJJ/T 104—2014表C.0.3規定，當管頂覆土深度大于0.8 m時，沖擊系數取1.0。車輛的單輪輪壓根據CJJ 11—2011《城市橋梁設計規范(2019年版)》表10.0.2選取為0.08 MN。將已知參數代入式(4)～(6)，可計算得到外護管的徑向變形量為20.4 mm，小于外護管外直徑的3%，外護管滿足徑向穩定性驗算條件。

4 彎頭強度驗算

4.1 驗算條件

外護管彎頭的強度驗算應符合CJJ/T 81—2013公式(5.5.3)：

σ=σbt+0.5σpt

(7)

σ≤3σall

(8)

(9)

(10)

rbm=rbo-0.5δb

(11)

(12)

(13)

式中σ——綜合應力，MPa

σbt——彎頭在彎矩作用下最大環向應力變化幅度，MPa

σpt——彎頭在內壓作用下的最大環向應力，MPa

σall——鋼材的許用應力，MPa

βb——彎頭平面彎曲環向應力加強系數

M——彎頭的彎矩變化范圍，N·m

rbo——彎頭橫截面的外半徑，m

Ib——彎頭橫截面的慣性矩，m4

rbm——彎頭橫截面的平均半徑，m

R——彎頭的曲率半徑，m

δb——彎頭公稱壁厚，m

rbi——彎頭橫截面的內半徑，m

Q235B鋼材的許用應力為125 MPa。彎頭公稱壁厚取0.012 m，彎頭橫截面的外半徑為0.56 m，彎頭橫截面的內半徑為0.548 m。

彎頭的彎矩變化范圍根據CJJ/T 81—2013附錄C.1.2第2款給出的計算方法進行計算。對于采用聚乙烯外防腐層的外護管，外護管與土壤間的最大摩擦系數可按CJJ/T 81—2013的表5.1.5選取。考慮到外護管由安裝溫度升至工作循環最高溫度取95 ℃，僅在運行初期由于保溫層中留存的水被加熱沸騰汽化所導致，并非常態。因此，在計算時，外護管與土壤間的最大摩擦系數取0.4[2]。包括介質在內的保溫管單位長度自重取5 345 N/m，回填土內摩擦角取30°。水平轉角管段的過渡段最小長度按CJJ/T 81—2013的式(C.1.1-2)計算，并根據附錄C.1.2條第1款，對水平轉角管段兩側的計算臂長及平均計算臂長進行確定。

4.2 驗算結果

其他條件不變，外護管工作循環最高溫度取95 ℃時，不同彎頭折角下的平均計算臂長、綜合應力見表1。

表1 外護管工作循環最高溫度取95 ℃時不同彎頭折角下的平均計算臂長、綜合應力

續表1

由表1可知，隨著彎頭折角減小，水平轉角管段兩側的計算臂長逐漸減小，綜合應力先增大后減小。當夾角達到25°時，綜合應力達到最大(646 MPa)，然后逐漸減小。彎頭折角為0°～5°、80°～90°彎頭應力小于3倍鋼材許用應力(375 MPa)，滿足強度驗算條件，而其他彎頭夾角不滿足驗算條件。

4.3 處理方法

當不滿足強度驗算條件時，不宜采取無補償方式敷設，需在外護管設置補償器、固定支座等設施，或者將折角轉化為Z形、L形、方形管段。