城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道裝置應(yīng)力驗(yàn)算方法

城鎮(zhèn)供熱直埋熱水管道應(yīng)力驗(yàn)算方法1一般規(guī)定1.1管道的應(yīng)力驗(yàn)算應(yīng)采用應(yīng)力分類法，并應(yīng)符合下列規(guī)定：1一次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力不應(yīng)大于鋼材的許用應(yīng)力；2一次應(yīng)力和二次應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍不應(yīng)大于3倍鋼材的許用應(yīng)力；3局部應(yīng)力集中部位的一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化幅度不應(yīng)大于3倍鋼材的許用應(yīng)力。1.2進(jìn)行管道應(yīng)力計(jì)算時(shí)，計(jì)算參數(shù)應(yīng)按下列規(guī)定取值：1計(jì)算壓力應(yīng)取管道設(shè)計(jì)壓力；2工作循環(huán)最高溫度應(yīng)取供熱管網(wǎng)設(shè)計(jì)供水溫度；3工作循環(huán)最低溫度，對(duì)于全年運(yùn)行的管道應(yīng)取30℃，對(duì)于只在采暖期運(yùn)行的管道應(yīng)取10℃；4計(jì)算安裝溫度應(yīng)取安裝時(shí)的最低溫度；5計(jì)算應(yīng)力變化范圍范圍時(shí)，計(jì)算溫差應(yīng)采用工作循環(huán)最高溫度與工作循環(huán)最低溫度之差；6計(jì)算軸向力時(shí)，計(jì)算溫差應(yīng)采用工作循環(huán)最高溫度與計(jì)算安裝溫度之差。1.3保溫管與土壤之間的單位長(zhǎng)度摩擦力應(yīng)按下式計(jì)算：（5.1.3-1）（5.1.3-2）式中：——單位長(zhǎng)度摩擦力（N/m）；——摩擦系數(shù)；——外護(hù)管外徑（m）；——管道中心線處土壤應(yīng)力（Pa）；——包括介質(zhì)在內(nèi)的保溫管單位長(zhǎng)度自重（N/m）；——土壤密度（kg/m3），可取1800kg/m3；——重力加速度（m/s2）；——土壤靜壓力系數(shù)；——回填土內(nèi)摩擦角（°），砂土可取30°。1.4土壤應(yīng)力應(yīng)按下列公式計(jì)算：1當(dāng)管道中心線位于地下水位以上時(shí)的土壤應(yīng)力：（5.1.4-1）式中：——管道中心線處土壤應(yīng)力（Pa）——土壤密度（kg/m3），可取1800kg/m3；——重力加速度（m/s2）；——管道中心線覆土深度（m）；2當(dāng)管道中心線位于地下水位以下時(shí)的土壤應(yīng)力：（5.1.4-2）式中：——地下水位線以下的土壤有效密度（kg/m3），可取1000kg/m3；——地下水位線深度（m）。1.5保溫管與土壤間的摩擦系數(shù)應(yīng)根據(jù)回填條件確定，可按表5.1.5采用。表5.1.5保溫管外殼與土壤間的摩擦系數(shù)回填料摩擦系數(shù)最大摩擦系數(shù)μmax最小摩擦系數(shù)μmin中砂0.400.20粉質(zhì)粘土或砂質(zhì)粉土0.400.155.1.6管道徑向位移時(shí)，土壤橫向壓縮反力系數(shù)宜根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥狼闆r實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定，當(dāng)無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可按下列規(guī)定確定：1管道水平位移時(shí)，可按1×106N/m3～10×106N/m3取值；2管道水平位移，對(duì)于粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粉土，回填密實(shí)度為90％～95％時(shí)，可按3×106N/m3～4×106N/m3取值；3管道豎向向下位移時(shí)，可按5×106N/m3～100×106N/m3取值。1.7鋼材的許用應(yīng)力應(yīng)根據(jù)鋼材有關(guān)特性，取下列兩式中的較小值：（5.1.7-1）（5.1.7-2）式中：[]——鋼材的許用應(yīng)力（MPa）；——鋼材的抗拉強(qiáng)度最小值（MPa）?！摬牡那O限最小值（MPa）。2管壁厚度計(jì)算2.1工作管的最小壁厚應(yīng)按下式計(jì)算：（5.2.1）式中：——工作管最小壁厚（m）；——管道計(jì)算壓力（MPa）；——工作管外徑（m）；[]——鋼材的許用應(yīng)力（MPa）；——許用應(yīng)力修正系數(shù)，無縫鋼管取1.0，螺旋焊縫鋼管可取0.9；——溫度修正系數(shù)，可取0.4。2.2工作管的公稱壁厚應(yīng)按下式確定：（5.2.2）式中：——工作管公稱壁厚（m）；——工作管最小壁厚（m）；——管道壁厚負(fù)偏差附加值（m）。2.3管道壁厚負(fù)偏差附加值，應(yīng)根據(jù)管道產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定選用?；虬聪铝蟹椒ù_定：1鋼管壁厚負(fù)偏差附加值可按下式計(jì)算：（5.2.3）式中：——管道壁厚負(fù)偏差附加值（m）；——工作管最小壁厚（m）；——管道壁厚負(fù)偏差系數(shù)，可按表5.2.3選取。表5.2.3管道壁厚負(fù)偏差系數(shù)管道壁厚偏差（%）0-5-8-9-10-11-12.5-15管道壁厚負(fù)偏差系數(shù)0.0500.0530.0870.0990.1110.1240.1430.1762當(dāng)焊接鋼管產(chǎn)品技術(shù)條件中未提供壁厚允許負(fù)偏差值時(shí)，壁厚負(fù)偏差附加值可采用鋼板厚度的負(fù)偏差值，但壁厚負(fù)偏差附加值不得小于0.5mm。3直管段應(yīng)力驗(yàn)算3.1工作管的屈服溫差應(yīng)按下列公式計(jì)算：（5.3.1-1）（5.3.1-2）式中：——工作管屈服溫差（℃）；——鋼材的線膨脹系數(shù)[m/(m﹒℃)]；——鋼材的彈性模量（MPa）；——屈服極限增強(qiáng)系數(shù)，取1.3；——鋼材的屈服極限最小值（MPa）；——鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；——管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；——管道計(jì)算壓力（MPa）；——工作管內(nèi)徑（m）；——工作管公稱壁厚（m）。3.2直管段的過渡段長(zhǎng)度應(yīng)按下列公式計(jì)算：1直管段過渡段最大長(zhǎng)度：（5.3.2-1）當(dāng)＞時(shí)，取2直管段過渡段最小長(zhǎng)度：（5.3.2-2）當(dāng)＞時(shí)，取式中：——直管段的過渡段最大長(zhǎng)度（m）；——直管段的過渡段最小長(zhǎng)度（m）；Fmax——單位長(zhǎng)度最大摩擦力（N/m）；——單位長(zhǎng)度最小摩擦力（N/m）；——鋼材的線膨脹系數(shù)[m/(m﹒℃)]；——鋼材的彈性模量（MPa）；——管道工作循環(huán)最高溫度（℃）；——管道計(jì)算安裝溫度（℃）；——鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；——管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；——工作管管壁的橫截面積（m2）；——工作管屈服溫差（℃）。3.3在管道工作循環(huán)最高溫度下，過渡段內(nèi)工作管任一截面上的最大軸向力和最小軸向力應(yīng)按下列公式計(jì)算：1最大軸向力：（5.3.3-1）當(dāng)≥時(shí)，?。?最小軸向力：（5.3.3-2）式中：——過渡段內(nèi)計(jì)算截面的最大軸向力（N）；——過渡段內(nèi)計(jì)算截面的最小軸向力（N）；Fmax——單位長(zhǎng)度最大摩擦力（N/m）；——單位長(zhǎng)度最小摩擦力（N/m）；——過渡段內(nèi)計(jì)算截面距活動(dòng)端的距離（m）；——活動(dòng)端對(duì)管道伸縮的阻力（N）——直管段的過渡段最小長(zhǎng)度（m）。3.4在管道工作循環(huán)最高溫度下，錨固段內(nèi)的軸向力應(yīng)按下式計(jì)算：（5.3.4）當(dāng)＞時(shí)，取式中：——錨固段的軸向力（N）；——鋼材的線膨脹系數(shù)[m/(m﹒℃)]；——鋼材的彈性模量（MPa）；——管道工作最高循環(huán)溫度（℃）；——管道計(jì)算安裝溫度（℃）；——鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；——管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；——工作管管壁的橫截面積（m2）。5.3.5對(duì)工作管直管段的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算，并應(yīng)符合下列規(guī)定：1當(dāng)量應(yīng)力變化范圍應(yīng)按下式計(jì)算：≤（5.3.5-1）式中：——內(nèi)壓、熱脹應(yīng)力的當(dāng)量應(yīng)力變化范圍（MPa）；——鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；——管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；——鋼材的線膨脹系數(shù)[m/(m﹒℃)]；——鋼材的彈性模量（MPa）；——管道工作循環(huán)最高溫度（℃）；——管道工作循環(huán)最低溫度（℃）；[]——鋼材的許用應(yīng)力（MPa）。2當(dāng)不能滿足公式（5.3.5-1）時(shí)，管系設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)布置錨固段，且過渡段長(zhǎng)度應(yīng)按下式計(jì)算：≤（5.3.5-2）式中：——設(shè)計(jì)布置的過渡段長(zhǎng)度（m）；[]——鋼材的許用應(yīng)力（MPa）；——管道內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力（MPa）；——工作管管壁的橫截面積（m2）；Fmax——單位長(zhǎng)度最大摩擦力（N）。4直管段局部穩(wěn)定性驗(yàn)算4.1對(duì)由于土壤摩擦力約束熱脹變形或局部沉降造成的高內(nèi)力的直管段，不得出現(xiàn)局部屈曲、彎曲屈曲和皺折。4.2公稱直徑大于500mm的管道應(yīng)進(jìn)行局部穩(wěn)定性驗(yàn)算，并應(yīng)符合下式計(jì)算規(guī)定：（5.4.2）式中：——工作管外徑（m）；——工作管公稱壁厚（m）；——鋼材的線膨脹系數(shù)[m/(m﹒℃)]；——鋼材的彈性模量（MPa）；——管道工作最高循環(huán)溫度（℃）；——管道計(jì)算安裝溫度（℃）；——鋼材的泊松系數(shù)，取0.3；——管道計(jì)算壓力（MPa）。4.3對(duì)于承受較大靜土壓和機(jī)動(dòng)車動(dòng)土壓的管道不得出現(xiàn)徑向失穩(wěn)。4.4公稱直徑大于500mm的管道應(yīng)按下列公式進(jìn)行徑向穩(wěn)定性驗(yàn)算：（5.4.4-1）（5.4.4-2）式中：——工作管徑向最大變形量（m）；——管頂單位面積上總垂直荷載（kPa），包括管頂垂直土荷載和地面車輛傳遞到鋼管上的荷載，直埋管道管頂單位面積上總垂直荷載應(yīng)符合表5.4.4的規(guī)定；——工作管外徑（m）；——鋼材的彈性模量（kPa）；——工作管公稱壁厚（m）；——工作管平均半徑（m）。表5.4.4直埋管道管頂單位面積上總垂直荷載管頂覆土深度（m）管頂單位面積上總垂直荷載（kPa）1.3621.4601.5581.6565.1彎頭的升溫彎矩及軸向力可采用有限元法計(jì)算或按本規(guī)程附錄C的規(guī)定計(jì)算。5.2彎頭工作管在彎矩作用下的最大環(huán)向應(yīng)力變化幅度應(yīng)按下列公式計(jì)算：（5.5.2-1）（5.5.2-2）（5.5.2-3）（5.5.2-4）式中：——彎頭在彎矩作用下最大環(huán)向應(yīng)力變化幅度（MPa）；——彎頭平面彎曲環(huán)向應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)；——彎頭的彎矩變化范圍（N·m）；——彎頭工作管橫截面的外半徑（m）；——彎頭工作管橫截面的平均半徑（m）；——彎頭工作管橫截面的慣性矩（m4）；——彎頭工作管的尺寸系數(shù)；——彎頭的曲率半徑（m）；——彎頭工作管的公稱壁厚（m）。5.3彎頭工作管的強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)符合下列表達(dá)式：≤（5.5.3-1）（5.5.3-2）式中：——彎頭在彎矩作用下最大環(huán)向應(yīng)力變化幅度（MPa）；——彎頭在內(nèi)壓作用下的最大環(huán)向應(yīng)力（MPa）；[]——鋼材的許用應(yīng)力（MPa）；——管道計(jì)算壓力（MPa）——彎頭工作管橫截面的內(nèi)半徑（m）；——彎頭工作管的公稱壁厚（m）。5.4三通等管件工作管應(yīng)根據(jù)內(nèi)壓和主管軸向荷載聯(lián)合作用進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，應(yīng)采用應(yīng)力測(cè)定或有限元法進(jìn)行疲勞分析，當(dāng)不能滿足應(yīng)力驗(yàn)算條件時(shí)應(yīng)進(jìn)行加固。5.5三通工作管加固應(yīng)采取下列一項(xiàng)或幾項(xiàng)措施：1加大主管壁厚，提高三通總體強(qiáng)度（包括采用不等壁厚的鍛鋼三通）；2在開孔區(qū)采取加固措施（包括增加支管壁厚），抑制三通開孔區(qū)的變形；3在開孔區(qū)周圍加設(shè)傳遞軸向荷載的結(jié)構(gòu)。6管道豎向穩(wěn)定性驗(yàn)算6.1直管段上的垂直荷載應(yīng)符合下式：≥（5.6.1）式中：——作用在單位長(zhǎng)度管道上的垂直分布荷載（N/m）；——安全系數(shù)，取1.1；——管道的最大軸向力（N），按本規(guī)程（5.3.3-1）式和（5.3.4）式計(jì)算；——初始撓度（m）；——鋼材的彈性模量（MPa）；——直管工作管橫截面的慣性矩（m4）。6.2初始撓度應(yīng)按下式計(jì)算：（5.6.2）當(dāng)＜0.01m時(shí)，取0.01m式中：——初始撓度（m）；——鋼材的彈性模量（MPa）；——直管工作管橫截面的慣性矩（m4）；——管道的最大軸向力（N），按本規(guī)程（5.3.3-1）式或（5.3.4）式計(jì)算。6.3垂直荷載應(yīng)按下列公式計(jì)算：（5.6.3-1）（5.6.3-2）（5.6.3-3）（5.6.3-4）式中：——作用在單位長(zhǎng)度管道上的垂直分布荷載（N/m）；——單位長(zhǎng)度管道上方的土層重量（N/m）；——包括介質(zhì)在內(nèi)的保溫管單位長(zhǎng)度自重（N/m）；——單位長(zhǎng)度管道上方土體的剪切力（N/m）；——管道中心線覆土深度（m）；——外護(hù)管外徑（m）；——土壤密度（kg/m3），可取1800kg/m3；——重力加速度（m/s2）；——土壤靜壓力系數(shù)；——回填土內(nèi)摩擦角（°），砂土可取30°。6.4當(dāng)豎向穩(wěn)定性不滿足要求時(shí)，應(yīng)采取下列措施：1增加管道覆土深度或管道上方荷載；2降低管道軸向力。7熱伸長(zhǎng)計(jì)算7.1兩過渡段間駐點(diǎn)位置Z（圖5.7.1）應(yīng)按下式計(jì)算：（5.7.1）式中：、——分別為駐點(diǎn)兩側(cè)過渡段長(zhǎng)度（m）；、——分別為駐點(diǎn)兩側(cè)活動(dòng)端對(duì)管道伸縮的阻力（N），當(dāng)或的數(shù)值與過渡段長(zhǎng)度有關(guān)，采用迭代計(jì)算時(shí)，或的誤差不應(yīng)大于10％；——管道單位長(zhǎng)度最小摩擦力（N/m）。圖5.7.1計(jì)算駐點(diǎn)位置簡(jiǎn)圖7.2管段伸長(zhǎng)量應(yīng)根據(jù)該管段所處的應(yīng)力狀態(tài)按下列公式計(jì)算：1當(dāng)≤或≤，整個(gè)過渡段處于彈性狀態(tài)工作時(shí)：（5.7.2-1）式中：——管段的熱伸長(zhǎng)量（m）；——鋼材的線膨脹系數(shù)[m/(m﹒℃)]；——管道計(jì)算安裝溫度（℃）；——管道工作循環(huán)最高溫度（℃）；——管道單位長(zhǎng)度最小摩擦力（N/m）；——設(shè)計(jì)布置的管段長(zhǎng)度（m）；——鋼材的彈性模量（MPa）；——工作管管壁的橫截面積（m2）；——工作管屈服溫差（℃）；——直管段的過渡段最小長(zhǎng)度（m）；——直管段的過渡段最大長(zhǎng)度（m）。2當(dāng)＞，且＞，管段中部分進(jìn)入塑性狀態(tài)工作時(shí)：（5.7.2-2）（5.7.2-3）式中：———過渡段的塑性壓縮變形量（m）；3當(dāng)≥時(shí)，取。7