版权信息
省级大型综合性科技类期刊
主管部门:自治区科技厅
主办单位:自治区科学技术信息研究院 
协办单位:自治区科学技术情报学会
编辑出版:科技期刊编译室
刊社地址:内蒙古呼和浩特新城西街149号本刊杂志社
邮政编码:100010
电      话:0471-2536371

E-mail  :

nmgkjzz@vip.163.com 

网站地址:www.nmgkjzz.com


往期杂志
当前位置: 首页>往期杂志>详细介绍

供热直埋直管道过渡段长度计算公式修正

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 56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:为研究供热直埋管道整体稳定性,修正直埋管道直管段过渡段长度计算公式。本文先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,并将保温层摩擦力引入原过渡段长度计算公式,从理论上推导出新过渡段长度计算公式;同时用实验的方法验证其理论推导的正确性。理论分析和实验结果表明:保温层摩擦力和无保温管与有保温管伸长量之差成正比,而且保温层摩擦力远大于土壤摩擦力;引入保温层摩擦力修正后的过渡段长度理论计算值与实际工程测量值很接近,验证了理论推导的正确性。在管道受热膨胀时,保温层对钢管的摩擦力能很好的抵消热膨胀力,可以有效地限制管道沿轴向伸长,大大缩减了过渡段长度,提高了供热直埋管道的稳定性。

关键词:供热直埋直管道;保温层摩擦力,过渡段长度;公式修正

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

Buried Heating Pipeline Transition Length Correction Formula

Wang Tao1, Liang Yahong2, Wang Xiwei2

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

AbstractTo study buried pipe heat stability and correctburied pipe length is calculated transition length of straight pipe. This article first to Hooke's law and thermal physical properties as a starting point, the use of analytical methods of classical mechanics and material mechanics theory formula for calculating the frictionof the insulation layer, and the introduction of the original insulation friction transition length is calculated from the theoretically new transition length formula.At the same time, experimentally verify the theoretical analysis is correct. Theoretical analysis and experimental results show that: the insulation layer with friction and there is no insulation pipe insulation pipe proportional to the difference of elongation and the insulation layer is much greater than the friction soil friction. Transition length theoretical value and the actual measured value is very close to introducing engineering insulation friction amended, so verify the correctness of the theoretical derivation. When the pipe thermal expansion, thermal insulation of pipe friction can well offset the thermal expansion forces can effectively limit the pipeline along the axial elongation,greatly reduced the length of the transition section,and improved the stability of heat buried pipe.

KeywordsHeating directly buried pipeline;Insulation friction;Transition length;Formula revision


    城镇供热系统是埋地生命线系统不可或缺的一部分,是现代都市特别是中高海拔寒区城市保障系统的重要单元[1]。集中供热不仅对节约能源和保护环境有积极作用,而且对提高人民生活水平和提高建筑舒适性具有非常重要的意义。近几年,为走可持续发展的新型发展道路,减少环境污染,降低资源消耗,研究城市集中供热现状,发展新式供热方法是非常重要的[2]。供热直埋热水管道无补偿敷设具有施工快、经济性好、无泄漏等优点,日益受到国内供热管道设计方和施工方的青睐[3]。然而预制直埋保温管作为城镇直埋供热系统的主要载体,具有不可磨灭的重要作用。

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[4]。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[5]。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[6]。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[7]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,推导出保温层摩擦力计算公式,实验验证保温层摩擦力的确存在,并将保温层摩擦力引入过渡段长度计算公式,同时实际测量了大温差和小温差下的过渡段长度,验证了修正公式的正确性,为无补偿冷安装供热直埋技术在工程实际中更好的应用提供了理论依据。

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[8]

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[8]

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[4]。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

1.1.4过渡段长度计算公式

《城镇供热直埋热水管道技术规程》(CCJ/T81-2013)[9]中规定,直管段的过渡段长度应按下列公式计算:

a.直管段最大过渡段长度:

4

    时,取

b.直管段过渡段最小长度:a.直管段最大过渡段长度:

5

时,取

式中:为直管段的过渡段最大长度,m;为直管段的过渡段最小长度,m;为单位长度最大摩擦力N/m;为单位长度最小摩擦力,N/m;为钢材的线膨胀系数,m/(m·℃);为钢材材料的弹性模量,MPa;为管道工作循环最高温度,℃;为管道计算安装温度,℃;为材料的泊松系数,取0.3; 为管道内压引起的环向应力,MPa; A为工作管管壁的横截面积,m2为工作管屈服温差,℃。

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[10]。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[11]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[4]。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[12]。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[13]。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[5]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[4]20℃时,聚乙烯长度方向热膨胀系数为1.91×10-4/[14]。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[5]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[15~16]。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[17~18]。当应力超过屈服极限时,也假设为线性的弹性应力[19~20]

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[5],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

1.3.3埋地管道受力分析

对于整体预制直埋保温管,据《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) [5]的规定,聚氨酯硬质泡沫塑料保温层、高密度聚乙烯外护管和钢管紧密地粘接在一起。当管道温度变化时,钢管的热胀冷缩可以通过保温层传递到外壳,使外壳管与周围回填土之间发生滑动,同时,作用于外壳上的土壤阻力又通过保温层限制钢管的热胀冷缩变形[4]。在通入实验用热水实际运行时,竖向受力平衡,则主要考虑管道轴向受力有: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,轴向保温层摩擦力。则管道轴线方向受力如图4所示:


 

 

 

 

 

图4埋地管道轴向受力分析图

1.4公式推导

1.4.1保温层摩擦力公式推导

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:

6

7

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:

8

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,根据城镇直埋供热管道工程技术规程[17]可知环向应力的计算公式为:

9

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:

10

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:

11

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:

12

13

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:

      14

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:

      15

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4)、(615式可知自由状态下半根保温螺旋钢管伸长量为:

    (16

17

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。

17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:

18

1.4.2过渡段长度修正公式推导

预制直埋保温管埋地后,以预制保温管整体为研究对象,保温层摩擦力属于内力。将保温层摩擦力项引入公式,由轴向受力平衡条件可得到:

(19)

化简整理,得修正后直管段的过渡段长度计算为:

a.直管段最大过渡段长度:

(20)

    时,取t1-t0=

b.直管段过渡段最小长度:a.直管段最大过渡段长度:

                    (21)

时,取

2实验研究

2.1实验方案

a.方案1,本实验以一根DN300有保温预制螺旋钢管、一根DN300无保温预制螺旋钢管、一根DN65无缝钢管为基础,将三根管道架空,测量在无外界摩擦力作用状态下,三根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。

b.方案2,本实验以8根DN300有保温预制螺旋钢管为基础,将8根管道焊接成长直管线进行直埋敷设,管顶埋深1.2m,通入实验用热水时,测量各测点位移量,根据各测点位移量变化大小确定过渡段长度。

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)[21]

按照实际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5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1






实验管道平面布置图2


2.3实验结果与分析

2.3.1方案1实验结果与分析

本实验中,管道受热伸长量和保温层摩擦力计算时,取钢材的弹性模量=20.0×104MPa,线膨胀系数α=12.2×10-6m/(m·℃) [9]。DN300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8-a 实验测量结果                                          8-b 公式计算结果

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.保温管伸长量小于无保温管伸长量,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。

表1 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DLr /mm

保温层摩擦力

ƒs/(N.m-1)

DN300

0.6m

Min

Max

13.0

0.27

9609.00

2618

5236

33.7

0.42

14769.39

1.2m

Min

Max

54.0

0.70

25018.99

4175

9430

73.0

0.95

33702.68


注:表1中土壤摩擦力具体数值摘自文献[4]


由上表数据可知:a.保温层摩擦力>土壤摩擦力;b.保温层摩擦力将是影响过渡段长度的又一重要因素。

2.3.2方案2实验结果与分析

图9-a45℃温差时实验结果                              图9-b 50.5℃温差时实验结果

由以上实验结果可知:a.管道埋地后,无论是大温差测量,还是小温差测量,供热长直管道均会出现过渡段和锚固段;b.由于温度波有衰减和延迟现象,故在测量过程中锚固段内测点会有极微小的位移;c.45℃大温差和50.5℃分段小温差下,为保证保温层的完整性不允许非接头处开孔,测点均布设在管道两端焊接处,则过渡段长度测量值只是一个范围:最大过渡段长度≤36m,最小过渡段长度≤24m。实验温差下保温层摩擦力和土壤摩擦力如表2所示,由规范公式计算结果,修正公式计算结果,实验测量结果如表3所示:

表2 实验温差下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/

保温层摩擦力

ƒs/(N.m-1)

DN300

1.2m

Min

Max

45

20474.83

4175

9430

50.5

23251.82

注:表2中土壤摩擦力具体数值摘自文献[4]

表3 过渡段长度理论计算值和实测值对照表

 

规范公式计算值

修正公式计算值

过渡段长度实际测量值

温差/℃

最大过渡段长度/m

最小过渡段长度/m

最大过渡段长度/m

最小过渡段长度/m

最大过渡段长度/m

结果误差分析/%

最小过渡段长度/m

结果误差分析/%

45

142.12

71.06

26.60

22.41

≤36

26.11%

24

6.63%

50.5

164.43

82.21

27.72

23.72

≤36

≤23.00%

24

1.17%

由以上数据可知:a.规范给出的过渡段长度计算公式过于保守,与实际工程相差甚远;b.引入保温层实测摩擦力项修正后的过渡段长度计算公式贴近工程实际,应该得到推广;c.由误差分析结果可知,最小过渡段长度理论值与实测值接近,最大过段长度理论值与实测值相差略大,是为确保管道整体稳定性,实验管道不允许在非焊接处开孔设测点所致。

4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。

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[4]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。通过理论分析和实验验证,当供热直埋管道受热膨胀时,保温材料对钢管的摩擦力是影响过渡段长度又一重要因素。

4将所测结果和规范公式计算结果相比,规范计算公式所得结果过于保守,会使实际工程中增加补偿器和固定墩的数量,导致材料的浪费和增加初投资。

5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,极大地缩短了过渡段长度,提高了供热直埋管道的稳定性和安全性。

6引入保温层摩擦力项修正后的过渡段长度更贴近工程实际,是无补偿冷安装供热直埋技术可行的强有力依据。

参考文献:

[1]姜宝峰.城市直下型地震作用下直埋式供热管道抗震反应分析[D].哈尔滨工业大学,2012.

[2] 张宇飞.城市集中供热研究现状及发展趋势[J].黑龙江科学,2014,(7):58.

[3]罗谨.供热直埋热水管道无补偿敷设的问题探讨[J].江西建材,2015,(7):61-62.

[4]王飞等.直埋供热管道工程设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2014,11.

[5]GB/T29047-2012.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[S].北京:中国标准出版社,2012.

[6]刘亚民.摩擦力与摩擦系数的几点性[J]. 呼伦贝尔学院学报,2006,04:67-68+54.

[7]闫永波. 谈供热直埋热水管道摩擦力的计算[J]. 山西建筑,2014,36:127-128.

[8] 秦飞.材料力学[M].北京:科学出版社,2012.

[9]CJJ/T 81-2013.城镇直埋供热管道工程技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[10]丁发兴,余志武,温海林.高温后Q235钢材力学性能试验研究[J].建筑材料 ,2006,(2):245-249.

[11]GB/T3091-2008.低压流体输送用焊接钢管[S].北京:中国标准出版社2008.

[12]YangRong, HuWentian, XuLiang, SongYan, LiJinchun. Synthesis, mechanical properties and fire behaviors of rigid polyurethane foam with a reactive flame retardant containingphosphazene andphosphate[J].Polymer Degradation and Stability,2015,(12):102~109.

[13] 朱吕民,刘益军等.聚氨酯泡沫塑料[M].北京:化学工业出版社,2004,8.

[14] 刘杰,苏学英,王慧娟等. 聚乙烯材料与钛合金受热膨胀的对比研究[A].中国康复医学会第三次康复治疗学术大会论文汇编[C].中国康复医学会,2002,9.

[15]Sam Kannappan,Introduction to Pipe StressAnalysis[J].European Journal of Stress Research,1986,(12):35~86.

[16] COADE Pipe Stress Analysis Seminar Notes[S].European Stress Agency,1993:3~10.

[17] Power Piping(B31.1).ASME Code for Pressure Piping[S].1990:40~525.

[18]Pipe Flanges and Flanged Fittings(ASMEB16.5).ASME Code for Pressure Piping[S].1993:7~45.

[19] 徐良胜,王璞瑶,何贞朵,蒋建志,陈翀,于淼.欧洲标准直埋供热管道应力计算方法[J].煤气与热力,2011,(3):28-31.

[20] European Committee forStandardization.EN13941:2009Design andinstallationofpre -insulated bonded pipesystems for districtheating[S].London:Standards Policyand Strategy Committee,2009.

[21] 胡月月,梁亚红,王西伟,张冰.一种供热管道微小位移测量装置[P].中国专利,2015209687673,2016-4-13.

 

本刊创刊于1982年,是由自治区科技厅主管、自治区科技信息研究院主办,由自治区科技情报学会协办、国内外公开发行的省级综合性科技刊物,是反映内蒙古自治区科技与经济发展的窗口。杂志入选《中国期刊全文数据(CJFD)》全文收录期刊和《中国学术期刊综合评价数据(CAJCED)统计刊源期刊,《中国核心期刊(遴选)数据库》收录。本刊是公开发行的综合性科技期刊,为月刊,大16开本。本刊坚持以科技创新为目标,融科技、经济、信息、产业、市场为一体,是促进科技成果转化、推动科技进步、加强技术创新,促进经济发展的专业性期刊。