管道直埋無補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)用于南方地區(qū)某集中供冷項(xiàng)目的設(shè)計(jì)分析

1、<p>　　管道直埋無補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)用于南方地區(qū)某集中供冷項(xiàng)目的設(shè)計(jì)分析</p><p>　　摘要 管道直埋無補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)在北方集中供暖項(xiàng)目中已有廣泛應(yīng)用，但至今在南方地區(qū)的集中供冷項(xiàng)目中仍未有應(yīng)用，本文通過對直埋管道中的直管段、彎頭、三頭、變徑等的計(jì)算分析，驗(yàn)證其完全能應(yīng)用于集中供冷項(xiàng)目中，希望為其他類似項(xiàng)目提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 </p><p>　　關(guān)鍵詞 集中供冷 管道直埋無補(bǔ)償敷

2、設(shè) </p><p>　　中圖分類號：TU81文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： </p><p><b>　　1 項(xiàng)目簡介 </b></p><p>　　本項(xiàng)目位于珠海市橫琴新區(qū)，屬于公園性質(zhì)的項(xiàng)目，園區(qū)內(nèi)各單體相當(dāng)分散，且單體立面均有外包裝，難于設(shè)置冷卻塔，經(jīng)多次經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，最終決定采用集中供冷的形式，集中設(shè)置冷源，再通過輸配管網(wǎng)把冷凍水送到各

3、用冷點(diǎn)，由于室外場地的限制，無法設(shè)置管溝，需采用管道直埋敷設(shè)方式。 </p><p><b>　　2 前期方案 </b></p><p>　　管道工作循環(huán)最高溫度13.5℃，管道工作循環(huán)最低溫度5.5℃，安裝溫度35.5℃；設(shè)計(jì)工作壓力1.0MPa；選用高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨脂泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管，工作鋼管材質(zhì)選用為Q235-B。管道沿園區(qū)道路敷設(shè)，管頂最小覆土埋深

4、按《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 81-98）[1]中的相關(guān)規(guī)定；初定管網(wǎng)彎頭的曲率半徑為1.5D，直埋管段中不設(shè)置任何閥門。 </p><p><b>　　3計(jì)算分析 </b></p><p>　　彈塑形分析法認(rèn)為，管道產(chǎn)生有限的塑性變形不會(huì)產(chǎn)生破壞，只有循環(huán)塑形變形才會(huì)使管道產(chǎn)生破壞，本方案充分發(fā)揮鋼材塑性的潛力，利用土壤與保溫管外表面的摩擦力固定管

5、道，使整個(gè)管線不需設(shè)置補(bǔ)償器，使管線形成一種自身的平衡狀態(tài)。 </p><p>　　對于鋼管，與斷裂或者其他形式的結(jié)構(gòu)破壞有關(guān)的承載能力極限狀態(tài)有以下幾種： </p><p>　?。?）、塑形變形破壞； </p><p>　?。?）、疲勞破壞，低疲勞破壞的極限狀態(tài)主要對彎頭、三通和變徑起重要作用，高疲勞作用僅對大管徑、淺埋、交通荷載頻繁作用的情況或承受如風(fēng)力造成震動(dòng)

6、的地上管道起重要作用； </p><p>　　（3）、管線系統(tǒng)或其中一部分失穩(wěn)； </p><p>　?。?）、可能影響安全的滲漏。 </p><p>　?。?）、變形或偏差。 </p><p>　　對于一般直埋系統(tǒng)，下列組合起決定作用： </p><p>　　因此根據(jù)力作用和變形作用的最不利組合，對包括附件在內(nèi)的設(shè)備

7、驗(yàn)算循環(huán)塑形變形，彎頭、三通和變徑驗(yàn)算疲勞破壞，驗(yàn)算局部屈曲或者皺折。 </p><p>　　3.1 循環(huán)塑性變形驗(yàn)算 </p><p>　　根據(jù)《給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 141-2002）[2]，直管段受到的當(dāng)量應(yīng)力應(yīng)滿足下列表達(dá)式： </p><p><b>　?。?） </b></p><p&

8、gt;<b>　　式中--當(dāng)量應(yīng)力 </b></p><p>　　--泊松系數(shù)，取0.3 </p><p>　　--管道內(nèi)壓引起的環(huán)向內(nèi)力， </p><p>　　--管道的計(jì)算壓力 </p><p>　　--鋼管內(nèi)徑（考慮管壁變化） </p><p><b>　　--鋼管公稱壁厚 &l

9、t;/b></p><p>　　--鋼材線性膨脹系數(shù) </p><p>　　--鋼材的彈性模量 </p><p>　　--鋼材在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力 </p><p>　　--管道工作循環(huán)最低溫度 </p><p>　　--管道工作循環(huán)最高溫度 </p><p>　　--可變作用的組合

10、系數(shù)，取0.9 </p><p>　　--設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力、地面車輛荷載、地面堆積荷載和溫度作用的分項(xiàng)系數(shù)，取1.4 </p><p>　　--地基不均勻沉降引起的縱向應(yīng)力 </p><p>　　將相關(guān)參數(shù)代入公式（1）中，以DN150管徑為例得出其計(jì)算控制的最大溫差為109.1℃。 </p><p>　　冷凍水工作循環(huán)溫差=30℃< ，故

11、管道不會(huì)產(chǎn)生循環(huán)塑性變形，即直管段允許進(jìn)入錨固，無需控制過渡段長度，故可采用直埋無補(bǔ)償?shù)姆笤O(shè)方式。 </p><p>　　3.2 局部屈曲驗(yàn)算 </p><p>　　根據(jù)《區(qū)域供熱手冊》[3]，局部屈曲驗(yàn)算應(yīng)滿足下列表達(dá)式： </p><p><b>　　當(dāng)時(shí)， (2) </b></p><p><b>　　當(dāng)

12、時(shí)， (3) </b></p><p>　　考慮管道截面橢圓化，平均半徑用下式代替 </p><p>　　式中--無荷載作用下管道的平均半徑 </p><p>　　w--產(chǎn)生壓縮應(yīng)變或者扭曲變形部位處的半徑變化 </p><p>　　將相關(guān)參數(shù)代入公式（2）、（3）中，得出以下結(jié)果： </p><p>　　

13、從上述計(jì)算可以看出，無補(bǔ)償管段滿足局部穩(wěn)定性條件，不會(huì)出現(xiàn)局部皺折。 </p><p>　　3.3 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算 </p><p>　　直埋管道周圍突然在徑向或軸向?qū)艿烙屑s束，正常狀態(tài)下是保持穩(wěn)定的，但當(dāng)突然約束力較小時(shí)，受壓管道會(huì)在橫向約束最弱的區(qū)域突出，根據(jù)《城鎮(zhèn)直埋供熱管道技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 81-98），直埋直管段上的垂直荷載應(yīng)符合下式要求： </p><

14、;p>　　臨界載荷，實(shí)際載荷。 </p><p><b>　　(4) </b></p><p>　　式中--穩(wěn)定性時(shí)的分項(xiàng)安全系數(shù) </p><p>　　--單管的軸向壓力 </p><p>　　--鋼管的初始擾度 </p><p><b>　　--單管慣性矩 </b>

15、</p><p>　　由于該項(xiàng)目地下水位相對高，因此實(shí)際荷載需要減去浮力對它的影響。 </p><p><b>　　所以實(shí)際荷載。 </b></p><p>　　將相關(guān)參數(shù)代入公式（4）得出以下結(jié)果： </p><p>　　因此埋深滿足垂直穩(wěn)定性要求，管道在運(yùn)行過程中不會(huì)發(fā)生縱向失穩(wěn)。 </p><p

16、><b>　　3.4 彎頭設(shè)計(jì) </b></p><p>　　直埋彎頭作為直埋管道的重要構(gòu)件，既是過渡段熱膨脹的自然補(bǔ)償器又是管道系統(tǒng)受保護(hù)的原件，當(dāng)彎頭側(cè)臂較長，曲率半徑小，循環(huán)溫差較大時(shí)，會(huì)招致峰值應(yīng)力，發(fā)生低頻次的循環(huán)塑性變形，因此需對彎頭進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。 </p><p>　　直埋彎頭的強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)滿足下列條件： </p><p>&

17、lt;b>　　(5) </b></p><p>　　式中--彎頭在彎矩作用下最大環(huán)向應(yīng)力變化幅度 </p><p>　　--直埋彎頭在內(nèi)壓力作用下彎頭頂部（底部）的環(huán)向應(yīng)力，即運(yùn)行工況下的環(huán)向拉應(yīng)力，（Mpa） </p><p>　　--彎頭平面彎曲環(huán)向應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù) </p><p>　　--彎管的尺寸系數(shù) </p&g

18、t;<p><b>　　--彎頭曲率半徑 </b></p><p>　　M―彎頭彎矩變化范圍 </p><p>　　K―彎頭鋼管的柔性系數(shù)，光滑彎管 </p><p>　　k―與土壤特性和預(yù)制保溫管剛度有關(guān)的參數(shù) </p><p>　　--直埋保溫管外殼外徑 </p><p>　　C

19、―土壤橫向壓縮反力系數(shù) </p><p>　　--轉(zhuǎn)角管段的折角（鄰補(bǔ)角）（弧度） </p><p><b>　　--平均計(jì)算臂長 </b></p><p>　　--直管橫截面慣性矩 </p><p>　　--彎頭鋼管的橫截面慣性矩 </p><p>　　選取某一90°彎頭，其管頂覆土深

20、度1.2m，把相關(guān)參數(shù)代入式(5)中得，計(jì)算出彎頭處總應(yīng)力為85.8MPa，小于鋼材Q235的基本許用應(yīng)力123MPa。彎頭應(yīng)力驗(yàn)算合格，系統(tǒng)運(yùn)行過程中不會(huì)因?yàn)楣艿赖目v向應(yīng)力而破壞彎頭。為增加彎頭的自然補(bǔ)償能力，減輕、緩沖管道使用過程中由于管線的者收縮而產(chǎn)生的力的作用，在彎頭兩側(cè)放置聚氨酯(PU)泡沫墊，膨脹墊的安裝長度大于彎臂的彈性臂長。 </p><p><b>　　3.5 三通設(shè)計(jì) </b&

21、gt;</p><p>　　采取平行三通的形式，平行三通與支管采用1.5D的彎頭連接，利用彎頭吸收主管和支管的位移量，平行分支臂長不小于管徑的彈性臂長。工廠預(yù)制平行三通加固方案按《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 81-98）4.5.3中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。 </p><p>　　3.6 變徑管設(shè)計(jì) </p><p>　　由于溫度變化小于《直埋供熱管道工程設(shè)計(jì)

22、》[4]中規(guī)定的變徑管最大允許溫差，滿足疲勞壽命的要求，對變徑管可以不采用任何保護(hù)措施。 </p><p><b>　　4結(jié)論 </b></p><p>　　通過以上計(jì)算分析，直管段滿足循環(huán)塑性變形、穩(wěn)定性等的要求、彎頭、變徑、三通均滿足疲勞分析的要求，因此直埋無補(bǔ)償敷設(shè)技術(shù)完全適用于本項(xiàng)目。本項(xiàng)目是直埋無補(bǔ)償技術(shù)第一次于南方集中供冷工程的工程應(yīng)用，希望為其他類似工程

23、設(shè)計(jì)提供借鑒。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)規(guī)程（CJJ/T 81-98）. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1998 </p><p>　　[2] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，給水排水工程埋地鋼管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程（CECS 141-2002）.北京

24、: 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì), 2003 </p><p>　　[3] (丹麥)皮特.蘭德勞夫著. 賀平，王剛譯. 區(qū)域供熱手冊. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998 </p><p>　　[4] 王飛，張建偉. 直埋供熱管道工程設(shè)計(jì). 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2007 </p><p>　　作者簡介：☆劉芳毅，男，1983年10月生，碩士研究生，工程師，注