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几种不同管径预制直埋保温管保温层摩擦力

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 33次


王涛,梁亚红 2,王西伟2

(1,2.西安建筑科技大学环境与市政工程学院 陕西 西安  710055)

摘要:为提高预制直埋保温管安全性,研究保温层对钢管的摩擦作用力。以胡克定律和材料热物理性质为出发点,利用经典力学和材料力学的分析方法,从理论上推导出保温层摩擦力的计算公式,并采用不同管径的预制保温管分冬夏两季进行实验验证。理论分析和实验结果表明:当管道受热伸长时,无保温钢管伸长量大于有保温钢管伸长量,即保温层对钢管有很大摩擦作用。若实验过程中假设钢管的弹性模量和钢材的弹性模量相等且为常数,则保温层摩擦力和无保温管与有保温管伸长量之差成正比;温差越大,无保温管与有保温管伸长量之差越大,则保温层摩擦力越大;保温层摩擦力在管道受热膨胀时,能很好的抵消热膨胀力,可以有效地限制管道沿轴向伸长,提高了供热直埋管道的安全性。

关键词:预制直埋保温管;保温层;摩擦力;理论分析;实验研究

中文图书分类号:TU995.3, O313.5                      文献标识码: A

Several Different Diameters Prefabricated Buried Insulating Pipe Insulation Friction

 

WANG Tao 1, LIANG Yahong 2, WANG Xiwei2

(1,2. Environmental and Municipal Engineering Institute, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055,China )

Abstract: To improve the safety of prefabricated buried pipe insulation and study the friction of the insulation to pipe. We use Hooke's law and thermal physical properties as a starting point, using thanalytical methods of classical mechanics and material mechanics theory formula for calculating the friction of the insulation layer and using different diameters of prefabricated pipe insulation in winter and summer experiment stars verification. Theoretical analysis and experimental results show that: When the pipe thermal elongation, the no insulation tube elongation greater than bare pipe, so the insulation has a great friction. The experiment is assumed that the elastic modulus of the steel pipe equal and constant, the insulation layer friction proportional to the difference of elongation. The more pipe have temperature difference, the more pipe elongation and insulation friction. Insulation friction in the pipe thermal expansion, well counteract thermal expansion forces can effectively restrict the pipeline along the axial elongation, improved safety Buried heating pipe.

Keywords: Prefabricated directly buried insulating pipe; Insulating layer; Friction; Theoretical analysis; Experimental Study

 


用于热水供热系统的直埋供热管道是三位一体式预制保温管[1]。工作钢管和外护管通过保温层紧密地粘结在一起,形成的一体式保温管结构[2]。在宏观的意义上,摩擦力是相互接触的物体具有相对运动或其倾向时接触面上出现的阻碍相对运动发生和进行的力[3]。摩擦力的大小直接影响着过渡段长度和管道自由端的热伸长等,关系到管网的安全运行[4]

经过阅读大量关于保温层和直埋管道的相关文献显示:随着无补偿冷安装供热直埋敷设技术的发展,土壤和直埋管之间的相互作用摩擦力日益受到重视,而管道与保温层之间的相互作用力却无人问津。本文以胡克定律和材料热物理性质为出发点,利用经典力学和材料力学的分析方法,深入探讨保温层与钢管之间的相互作用,理论分析和实验结果表明:保温层摩擦力的确存在,保温层摩擦力在管道受热膨胀时,能很好地抵消热膨胀力,可以提高供热直埋管道的安全性。

1理论分析

1.1基本原理

1.1.1胡克定律

英国科学家胡克(Robert Hooke,1635~1703)经过大量实验发现,对于许多材料,当正应力小于某一特定值时,材料的正应变与正应力成正比,即:

                      1

上述关系称为胡克定律。式中为比例常数,其大小与材料有关,称为材料的弹性模量[5]

1.1.2温度应变

温度变化会引起构件体积膨胀或收缩,这种膨胀或收缩在构件的各个方向产生相同的正应变,称为温度应变。设材料单位温度改变引起的应变为α(称为热膨胀系数,单位1/℃,则温度改变所产生的温度应变为:

                    2

当构件受到约束而不能自由膨胀或收缩时,温度变化在构件中产生应力。这种因温度变化而产生的应力称为热应力[5]

1.1.3泊松力

当钢管承受径向内压作用时,钢管有变粗缩短的趋势。严格地讲,当管道两端固定,管道的内压力升高时,便产生环向应力。在单元体的轴向,伴随出现拉应力,我们把这一拉应力称为泊松拉应力[1]。由内压产生的轴向泊松拉应力为:   

                    3

式中:为材料的泊松系数,为内压作用在管壁上的环向应力,MPa

1.2结构分析

1.2.1预制直埋保温管构造

预制直埋保温管主要由Q235B钢材制作的工作管,聚氨酯硬质泡沫塑料保温层,高密度聚乙烯外护管三部分组成,其结构如图1所示:

图1预制直埋保温管

1—保护壳;2—保温层;3—工作管

1.2.2材料性能介绍

a.随着钢材受热温度的升高,高温后钢材的屈服强度、极限强度总体上逐渐降低,而弹性模量和泊松比基本不变[6]。钢管的力学性能要求应符合《低压流体输送用焊接钢管》GB/T3091-2008[7]的相关规定。

b.所谓聚氨酯硬质泡沫塑料是指:聚醚(或聚酯)多元醇和异氰酸酯在催化剂以及其它助剂(发泡剂、匀泡剂等)作用下进行聚合反应,并逐渐形成具有一定密度、一定强度、低导热率以及耐一定温度的高分子材料[1]。聚氨酯硬质泡沫塑料的抗压强度随密度单调增加,热稳定性主要取决于交联浓度,而不是分子量本身[8]。对于硬质聚氨酯泡沫塑料的热膨胀系数,不同资料报道的有所出入。在正常情况下,热膨胀系数介于50×10-6/K100×10-6/K之间[9]。故对于同一批实验管材,保温材料的抗压强度和热稳定性基本不变。聚氨酯硬质泡沫塑料其它性能要求应符合《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》GB/T29047-2012[2]的相关规定。

c.低压高密度聚乙烯是最简单的不饱和烃(即乙烯单体),经过低压聚合而成的一种烃族树脂,原料来源于石油[1]20℃时,聚乙烯长度方向热膨胀系数为1.91×10-4/[10]。高密度聚乙烯硬质塑料外护管其它性能要求应符合《高密度聚乙烯外护管硬质聚氨酯泡沫塑料预制直埋保温管及管件》GB/T29047-2012[2]的相关规定。1.3受力分析

    供热管道上最主要的力是由温度、压力以及外部载荷引起的,架空以及地沟敷设供热管道的作用力是由温度、压力和供热管道自重引起的[11~12]。在受力分析过程中,采用材料的弹塑性理论。应力分析法进行管道的受力分析时,允许管道有一定的塑性变形,认为一定的塑性变形并不会造成管道失效[13~14]。当应力超过屈服极限时,也假设为线性的弹性应力[15~16]

1.3.1单根无保温管受力分析

单根长为12米的预制无保温钢管架空后,以钢管为研究对象,在通入实验用热水实际运行时,若忽略支架对其的摩擦力,则管道主要受到5个力的作用,分别为:轴向热膨胀力,内压作用下产生的轴向泊松拉应力,沿管道直径方向的径向应力,竖直方向重力和支架的支持力。由于竖直方向重力和支持力平衡,则管道轴线方向受力如图2所示:

图2无保温管轴向受力分析图            

1.3.2单根有保温管受力分析

在工程实际应用中,将运行多年的直埋管挖开后,切开保温层发现:保温层始终紧紧粘结在钢管外壁,并没有与钢管外壁脱落。外护管和聚氨酯泡沫塑料在温度和应力作用下缓慢渐进性的应变[2],则钢管与保温层之间的摩擦属于滑动摩擦力。单根长为12米的预制有保温钢管架空后,以钢管为研究对象,在通入实验用热水实际运行时,若忽略支架对其的摩擦力,则管道主要受到6个力的作用,分别为:轴向热膨胀力,内压作用下产生的轴向泊松拉应力,沿管道直径方向的径向应力,保温层对管道的摩擦力,竖直方向重力和支架的支持力。由于竖直方向重力和支持力平衡,则管道轴线方向受力如图3所示:

图3有保温管轴向受力分析图

1.4公式推导

1.4.1基本公式

    a.无保温钢管在架空后,通入实验用热水运行时,处于自由收缩或膨胀状态,则由2式可知自由状态下无保温钢管伸长量计算公式为:

                 4

                5

式中:为自由状态下无保温钢管伸长量,m;为无保温钢管线膨胀系数,m/(m·℃);为温差,℃;为钢管轴线方向的长度,m。

b.钢管在通入实验用热水实际运行时,在弹性范围内,其热应力和热应变的关系符合胡克定律,则由12式可得,无保温钢管受热时的热膨胀力为:

               6

式中:为热膨胀力,N;为无保温钢管弹性模量,MPa或Pa;为钢管横截面积,m2为温差,℃。

c.钢管通入实验用热水实际运行时,管内会有一定的工作压力才能使热水按设计方向流动,而钢管在内压作用下必然产生环向应力,根据供热直埋规范[17]可知环向应力的计算公式为:

                  7

式中:为管道计算压力,MPa或Pa; 为钢管内径,m;为工作管公称壁厚,m

d.预制直埋保温管的核心部分是钢管,钢管必然有一定的厚度,故有一定横截面积,则由3式可知钢管所受到的泊松拉应力为:

                   8

式中:为钢材的泊松系数,取0.3。

e.在工厂预制的直埋保温管保温层是由加料机进行机械保温的,保温层质地均匀,则其对管道的作用沿着实验管道长度方向随长度累积,故钢管受保温层的摩擦力为:

                    9

式中:为钢管单位管长所受保温层摩擦力,N/m;为钢管长度,m。

1.4.2基本公式

管道在弹性工作状态下,所有的过渡段管道断面应变和应力的关系符合胡克定律。钢管在活动端,热伸长量最大;而在驻点处或者锚固点处,保温层对钢管的摩擦力达到最大,所以热伸长量为零。对于单根架空的预制保温管来说管道中点处为驻点,其余部分受热时向两端伸长,则热应变分别为:

          10

              11

式中:为管道驻点或锚固点的轴向压缩应变;为管道活动端的轴向压缩应变;为管道驻点处或锚固点处的轴向应力,MPa;为管道活动端的轴向应力MPa;为预制直埋保温管钢管的弹性模量,MPa;为管道活动端所设补偿器的位移阻力,N;为保温层对钢管单位长度的摩擦力,N/m;为驻点或锚固点到活动端的管道长度,m。

由以上分析可知:管道在弹性工作状态下,轴向应变和保温层摩擦力成线性正比关系。则整个管道的过渡段的平均轴向应变为:

    (12

然而以此类推,整个预制直埋保温管中钢管因受保温层摩擦力减少的热伸长量为:

         13

对于单根架空的保温管两端无补偿器,当管道中通入实验用热水实际运行时,由4513式可知自由状态下半根保温螺旋钢管伸长量为:

     (14

         15

式中:为自由状态下有保温钢管伸长量,m;为自由状态下无保温钢管伸长量,m;为单根预制钢管的管长,m。

15式整理化简得预制直埋保温管单位管长保温层摩擦力计算公式为:

     16

2实验研究

2.1实验方案

夏季:以DN300有保温预制螺旋钢管、DN300无保温预制螺旋钢管、DN65无缝钢管各1根为一组;冬季:以DN200、 DN300、 DN400、 DN600及DN800保温预制螺旋钢管和无保温预制螺旋钢管各1根分5组实验;将各组管道架空,测量在无外界摩擦力作用状态下,各组钢管在通入实验用热水实际运行后,温度升高时的伸长量,通过伸长量计算出保温层摩擦力。

2.2实验原理及其布置图

2.2.1实验原理(相似三角形放大原理)[17]

用正确的施工方法在管道焊接处焊置角钢,其顶端a即为测点。激光束从原点O出发经过角钢顶端a0点射在黑色木板上形成点b0,水升温后测点发生位移形成新点b1,以此类推,直到测量的最后一个温差节点,前后两条光束形成三角形,其目的是使测点位移量放大到木板上便于测量,由三角形相似理论可计算出测点位移的变化。实验原理如图4所示:

 

 

图4相似三角形放大原理图

2.2.2实验管道布置图                            

实验管道平面布置图

2.3实验结果与分析

    本实验中,管道受热伸长量理论计算时,取钢材的弹性模量=20.0×104MPa,线膨胀系数α=12.2×10-6m/(m·℃)[18]。夏季DN300的钢管实验结果和保温层摩擦力计算结果如图6-a和图6-b所示:

图6-a夏季DN300钢管实验结果                                                                     

6-b夏季DN300钢管摩擦力计算结果

    冬季DN200DN300DN400DN600及DN800的钢管实验结果如图7-a、图8-a、图9-a、图10-a及图11-a所示,冬季DN200DN300DN400DN600及DN800钢管保温层摩擦力计算结果如图7-b、图8-b、图9-b、图10-b及图11-b所示:

图7-a冬季DN200钢管实验结果

7-b冬季DN200钢管摩擦力计算结果

图8-a冬季DN300钢管实验结果

8-b冬季DN300钢管摩擦力计算结果


图9-a冬季DN400钢管实验结果

9-b冬季DN400钢管摩擦力计算结果

图10-a冬季DN600钢管实验结果

10-b冬季DN600钢管摩擦力计算结果

图11-a冬季DN800钢管实验结果

11-b冬季DN800钢管摩擦力计算结果


由以上实验和计算结果可知:a.螺旋钢管受热时的伸长量达不到理论计算值,是其自身焊缝结构所致;b.保温管热伸长量小于无保温管热伸长量,说明保温材料对螺旋钢管有很大的摩擦力;c.若在实验过程中假设钢管的弹性模量和钢材的弹性模量相等且为常数,则保温层摩擦力和无保温管与有保温管伸长量之差成正比。



1 夏季DN300钢管保温层摩擦力和土壤摩擦力

 

公称直径

管顶埋深

土壤摩擦力F/(N.m-1)

温差DT/

伸长量之差DL r /mm

面积

A×104 /m2

保温层摩擦力

ƒs /(N.m-1)

DN300

0.6m

Min

Max

14.2 

0.48

64.06

17082.67

2618

5236

34.7

0.73

64.06

25979.89

1.5m

Min

Max

55.3 

1.01

64.06

35944.78

5763

11526

74.1 

1.34

64.06

47689.11


注:表1中土壤摩擦力具体数值摘自文献[1]


2 冬季DN200~ DN800钢管保温层摩擦力和土壤摩擦力

 

公称直径

管顶埋深

土壤摩擦力F/(N.m-1)

温差DT/

伸长量之差DL r /mm

面积

A×104 /m2

保温层摩擦力

ƒs /(N.m-1)

DN200

0.6m

Min

Max

11.0

0.43 

36.24

8637.20 

1851

3702

24.0

0.49

36.24

9945.87

1.0m

Min

Max

32.5

0.54

36.24

10872.00

2899

5798

41.0

0.86

36.24

17234.13

1.5m

Min

Max

49.5

1.31

36.24

26274.00

4210

8420

63.0

1.47

36.24

29555.73

DN300

0.6m

Min

Max

10.5

0.37

64.06

13025.53

2618

5236

24.5

0.46

64.06

16299.71

1.0m

Min

Max

33.5

0.67

64.06

23880.14

4016

8032

41.5

0.81

64.06

28969.36

1.5m

Min

Max

50.5

0.97

64.06

34663.58

5763

11526

63.0

1.13

64.06

40215.44

DN400

0.6m

Min

Max

11.0

0.34 

84.37

15936.56 

3604

7208

25.0

0.44

84.37

20764.39

1.0m

Min

Max

33.5

0.63

84.37

29295.14

5435

10870

42.0

0.70

84.37

32810.56

1.5m

Min

Max

51.0

0.80

84.37

37450.91

7723

15446

64.0

1.03

84.37

48278.39

DN600

0.6m

Min

Max

12.0

0.3

140.87

23321.81

5474

10948

23.0

0.36

140.87

28330.52

1.0m

Min

Max

32.5

0.49

140.87

38191.42

8004

16008

42.5

0.58

140.87

45391.44

1.5m

Min

Max

51.0

0.66

140.87

51652.33

11166

22332

61.0

0.82

140.87

64330.63

DN800

0.6m

Min

Max

10.5

0.24

234.34

31245.33

7545

15090

22.5

0.3

234.34

39056.67

1.0m

Min

Max

32.0

0.38

234.34

49471.78

10740

21480

42.0

0.4

234.34

52075.56

1.5m

Min

Max

52.0

0.44

234.34

57283.11

14735

29470

62.0

0.58

234.34

75509.56

注:表2中土壤摩擦力具体数值摘自文献[1]


由表1和表2数据可知:a.保温层摩擦力大于土壤摩擦力;b.当管道受热膨胀时,温差越大,无保温管与有保温管伸长量之差越大,保温层对钢管的摩擦力越大;c.螺旋钢管管径越大,伸长量差值越小,钢管横截面积越大,保温层对钢管摩擦力越大。

3结论

   1通过理论分析和实验验证,当管道受热膨胀时,保温材料对钢管有摩擦作用力,并且螺旋钢管管径越大,保温层对钢管摩擦力越大。

    2通过理论分析和实验验证,当管道受热膨胀时,若在实验过程中假设钢管的弹性模量和钢材的弹性模量相等且为常数,则保温层摩擦力和无保温管与有保温管伸长量之差成正比。

3将实验数据和文献[1]中土壤摩擦力相关数值进行比较可知:a.保温层摩擦力大于土壤摩擦力;b.当管道受热膨胀时,温差越大,无保温管与有保温管伸长量之差越大,则保温层力对钢管的摩擦力越大。

4保温层摩擦力在管道受热膨胀时,能很好地抵消热膨胀力,可以有效地限制管道沿轴向伸长,提高了供热直埋管道的安全性。

5本文对不同管径预制直埋保温管保温层摩擦力行了深入的研究,有助于推动供热直埋管道无补偿冷安装敷设技术的发展和推广。

 

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