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钢套钢复合保温管的设计理论和发展方向

发布时间:2022-05-21点击:108

钢套钢复合保温管的管径由DN500mm增加到DN1000mm,甚至达到DN1400mm。钢套钢复合保温管设计虽然有一些计算上的问题,但直埋管已经成为采暖热水管道的主要敷设方式,其应用也日益广泛。

一、压力分析原理。

钢套钢保温管的受力分析经历了由弹性分析法向应力分类法转变的过程。弹力分析方法不允许管道发生塑性变形,将管道视为塑性变形,即发生管道破坏。而弹性分析方法并不能真实地反映钢塑性变形与失效的关系,也不能充分利用钢塑性。当采用弹性分析法进行管道应力分析时,还需进行补偿冷安装或预应力安装,造成资源浪费,降低管网可靠性。

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二、压力计算法。

目前常用的应力计算方法有弹性铰法和有限元分析法。

弹力抗弯铰解析法是目前工程设计中广泛采用的一种方法,其特点是能对管道系统进行解析式应力分析。CJJ/T81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规范》给出了该方法的计算公式。但是,本法主要是分析管道中直管段和弯管(弯头)的受力情况,而对于三通、变径管等则没有给出计算方法。目前,太原工业大学、青岛工业大学等所开发的应力分析软件、应力分析软件、青岛工业大学应力分析软件等,已形成了一定规模。

利用有限元法对直埋式三通、变径管等部分进行了受力分析,但建立复杂的计算模型,并对其进行有限元编程。在力学分析中,很少使用自编程序的方法,而对单个具体系统进行有限元分析的主要是:太原理工大学有限元分析方法,利用ANSYS软件,对90°C大口径直埋热水管道进行了有限元分析,利用ANSYS软件进行有限元分析,得出结论。利用ANSYS软件对中国市政工程华北设计研究院6m长直管段进行有限元仿真,对于采用有限元法计算直埋式热水管道应力有一定的指导意义。

用有限元方法计算直埋热水管道系统的应力分析难点在于整个系统存在三通、变径管、弯管等多种管件,这些形状各异,若要进行有限元分析,必然要统一其坐标系,在不同坐标系间又要进行拉梅变换。所以,研究者通常使用现成的设计软件,如ANSYS软件,对管道进行一般的研究。

三、管线应力分析内容。

其内容主要包括直管段、弯头、三通、变径管、弯管等。CJJ/T81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规范》中关于直管、弯头的强度校核和疲劳分析已有较详细的论述,但在三通、变径管等的验算方面,还没有明确的解决方法。所以,在工程设计中,很少有人对这些管件进行校验,以致这些管件的强度验算一直是空白。

近几年来,部分高校对直埋热水管道的相关技术进行了研究,以哈尔滨工业大学为例,对直埋管进行了受力计算和分析,直埋管供暖管道的应力分析及受力计算,西安建筑工程学院直埋供热管道设计与计算方法研究长安大学供热管道直埋敷设的受力计算和计算软件开发研究,西北大学热水管道直埋敷设研究,但是均未达到对三通、变径管等管件的应力分析和验算深度。

四、实验研究

2012-2013年,针对北京市热电厂自上世纪90年代以来,北京市热力集团、北京豪特耐热水直埋供热管道工程有限公司对其进行了全面调查,在实际应用中发现聚氨酯钢套钢保温管局部发生炭化,这主要是由于2006~2010年北京市市政热工系统的热能**温度超过140℃。根据这一情况,目前北京市市政热力供暖的热水温度已低于130℃。

为确保钢套钢保温管无炭化,设计时应注意设计温度,一般情况下应在130℃以下才能进行设计。

2013年10月,住房和城乡建设部标准化委员会、北京豪特耐热水直埋管道制造公司等开展了钢套钢保温管保温材料研究。与此同时,北京市热电厂与北京科技大学合作,对大口径热水直埋管道进行了受力试验,并对弯头、三通、变径管等管件处的应力应变进行了试验研究,为设计理论提供了实验数据,预计2015年完成。

五、开发直埋热水管道需解决的问题。

①直埋保温管保温材料需提高炭化温度。现在所用的保温管主要以聚氨酯为保温材料,当温度超过130℃就有可能被炭化,这对目前趋向于高温供热的系统来说,是较大的隐患。研究开发耐热保温材料,提高钢套钢保温管的使用温度,是目前最重要的课题之一。

②改进直埋热水管道的应力计算方法。目前广泛采用的弹性抗弯铰解法毕竟存在一定的局限性,有限元方法尚未得到充分应用,在目前的计算中,仍有一些管件(三通、变径管等)不能进行应力分析。用有限元法分析这些管件的受力情况,可以为管件的设计和加工提供依据。

⑤大口径预制直埋热水管道的受力分析与试验研究。大管径直埋热水管道的试验研究,是对CJJ/T81—2013《城镇供热直埋热水管道技术规范》的补充,为其修编提供了基础资料,国内还需要进行深入研究。


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