淺析大管徑直埋熱力管道三通應(yīng)力
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作者：張毅
從干管上接出分支，是直埋管道設(shè)計(jì)和管道安全運(yùn)行的難點(diǎn)之一。分支點(diǎn)處的處理方法不僅要考慮工程進(jìn)度，還要考慮工程造價(jià)。一般而言主管道走向規(guī)劃后，應(yīng)根據(jù)分支線的位置，本著降低分支點(diǎn)的受力的原則，反復(fù)調(diào)整主線補(bǔ)償裝置和固定墩的位置。對(duì)于無補(bǔ)償直埋設(shè)計(jì)，如果技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)條件合理，也可以在分支引處設(shè)置少量的補(bǔ)償裝置，力求三通連接處主干線軸向位移量小于5 0mm。當(dāng)支管給三通連接處的軸向力較大時(shí)，要對(duì)分支三通進(jìn)行加固或安裝補(bǔ)償措施。
1 三通管段驗(yàn)算原則
直埋供熱管道焊制三通的強(qiáng)度驗(yàn)算，應(yīng)根據(jù)內(nèi)壓和主管軸向荷載聯(lián)合作用進(jìn)行。三通各部分的一次應(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 [u]；區(qū)域應(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)力的變化范圍不應(yīng)大于3[u]，當(dāng)工程驗(yàn)算三通不滿足《規(guī)程》( CJJ-T81-98)所規(guī)定的上述條件時(shí)應(yīng)進(jìn)行加固。
由于三通的應(yīng)力驗(yàn)算，《規(guī)程》( CJJ-T81-98)并未給出相應(yīng)的計(jì)算方法，附錄給出的三通加同方案也僅是針對(duì)小管徑的加固方案，對(duì)于大口徑熱力管道，應(yīng)力分析和管道加同沒有相應(yīng)的規(guī)范指導(dǎo)。
對(duì)于三通、變徑、折角和不滿足彈性臂長(zhǎng)要求的彎頭，強(qiáng)度計(jì)算需要借助有限元分析。有限元分析需要建立研究對(duì)象的幾何模型，設(shè)定邊界條件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行迭代計(jì)算。
2 工程簡(jiǎn)介及應(yīng)力分析
本工程為某實(shí)際工程管井示意圖，水流方向?yàn)閺挠业阶�，右�?cè)干管管徑為DN600mm，支管管徑DN350mm，長(zhǎng)40m。設(shè)計(jì)條件為：熱網(wǎng)的供水溫度為140℃，回水溫度為70℃，安裝溫度10℃，工作循環(huán)最低溫度取為10℃，供水壓力為1.6MPa。管材材質(zhì)為Q235鋼，管頂埋深為1.5m，采用冷安裝方式。管道布置如圖1。
本設(shè)計(jì)屬于三通處設(shè)置同定墩和補(bǔ)償器的情況：結(jié)合保護(hù)閥門和變徑管，充分利用檢查井，在檢查井中，設(shè)置固定墩和補(bǔ)償器。原施工圖中三通處設(shè)置在管井中，支管沒有做補(bǔ)償，施工圖中三通布置形式如圖2所示。
3 三通優(yōu)化改進(jìn)措施
當(dāng)三通主管位移為零，或位移量小于50mm時(shí)，分支考慮補(bǔ)償，可采用Z形彎管引出，如圖3。彎頭距三通的距離L應(yīng)大于直管彈性臂長(zhǎng)且小于20m，用以對(duì)主管軸向位移補(bǔ)償。補(bǔ)償彎管長(zhǎng)度L2應(yīng)按Z形補(bǔ)償彎管確定，取彈性長(zhǎng)度L。的1.25～2倍，用來補(bǔ)償支管熱伸長(zhǎng)。
當(dāng)三通主管位移為零，或位移量小于50mm時(shí)。軸向補(bǔ)償器可安裝在分支管上，如圖4。分支點(diǎn)距補(bǔ)償器的最小距離不應(yīng)小于1.5/。，最大距離不應(yīng)大于20m。以補(bǔ)償主管軸向位移。分支管內(nèi)壓力對(duì)三通的影響要特別注意。支管內(nèi)壓力作用被分支點(diǎn)至補(bǔ)償器管段的土壤摩擦力相互抵消時(shí)，可以安裝普通軸向補(bǔ)償器，否則應(yīng)當(dāng)安裝無推力軸向補(bǔ)償器。
本設(shè)計(jì)管井三通的主管無位移，分支可設(shè)Z形彎管進(jìn)行自然補(bǔ)償，也可以設(shè)置補(bǔ)償裝置進(jìn)行補(bǔ)償。雖然設(shè)Z形彎管自然補(bǔ)償布置方便，但是考慮到增加4對(duì)彎頭，彎頭需要增大曲率半徑，比在支管增設(shè)補(bǔ)償器造價(jià)更高；并且敷設(shè)范圍變大，加大了土方作業(yè)，還要考慮地形等影響，不利于施工。所以本設(shè)計(jì)在支管上增設(shè)補(bǔ)償裝置，見圖5。
4 ANSYS數(shù)值模擬
通過ANSYS軟件對(duì)該處的三通進(jìn)行了仿真模擬，證明該處如果采用非加厚三通，原設(shè)計(jì)必須采取措施減弱支管對(duì)主管的應(yīng)力，本文在支管安裝補(bǔ)償器是實(shí)際工程中比較經(jīng)濟(jì)與實(shí)用的方法。
最大摩擦力：
式中：F為每米管道沿軸線方向的摩擦力，N/m；“為保溫管殼與土壤之間的摩擦系數(shù)；p為土壤密度，一般沙土為1800kg/m3;g為重力加速度，rn／s2；H為管頂以上的埋土深度，當(dāng)H> 1.5m時(shí)，取H=1.5m；D。為預(yù)制保溫管外殼管徑，m；G為每米預(yù)制保溫管的管道與介質(zhì)總重量，kg/m。
該段管長(zhǎng)/=40m，利用公式可得Fx為20091.96N/m，支管截面積A為0.007451m2，根據(jù)應(yīng)力的定義——單位面積上作用的力，可得到三通處受應(yīng)力為：40x20091.96/0.007451=108MPa。
4.1幾何模型
雖然本文所建模型是兩個(gè)圓柱體相貫，但實(shí)際中的三通并非如此。完全復(fù)制實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，難度會(huì)非常大。所以為了簡(jiǎn)化問題提高效率，可進(jìn)行理想假設(shè)：不考慮主、支管的加工誤差及不圓度；將結(jié)構(gòu)看作兩個(gè)理想的圓柱體正交相貫；不考慮相貫線處焊縫堆高、加強(qiáng)板等加強(qiáng)元件的增強(qiáng)作用；分析中僅考慮管徑比不小于0.5的情況。
在建模過程中，三通主支管的相貫處的圓角是建模所要處理的一個(gè)重點(diǎn)問題。因?yàn)�，�?dāng)此處不設(shè)置圓角時(shí)，會(huì)導(dǎo)致很大的應(yīng)力集中，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料的安定性分析強(qiáng)度條件。在查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，并利用Pro-E軟件進(jìn)行建模并導(dǎo)入ANSYS分析后，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三通主管尺寸一定時(shí)，在合適的范圍內(nèi)，相貫處的圓角越大，三通應(yīng)力的最大值就越小。本模擬中，選擇圓角尺寸的原則是：采用在建模與導(dǎo)入過程中不會(huì)影響模型完整性，所能達(dá)到的最大圓角。為了加快模擬的運(yùn)行速率，建模時(shí)僅搭建對(duì)稱模型的一半。本文研究的三通模型幾何尺寸見表1。
4.2約束條件
首先導(dǎo)人Pro-E的IGS文件，然后在ANSYS中進(jìn)行工作面切割及面分割體等丁作，為劃分網(wǎng)格準(zhǔn)備。為了求解的準(zhǔn)確性，劃分網(wǎng)格時(shí)，將應(yīng)力集中區(qū)（即過渡圓角處）的網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，使其較其他位置的網(wǎng)格更密，以減少誤差。除了在三通內(nèi)表面施加內(nèi)壓，在三通的三個(gè)端面施加徑向約束0，由于干管一側(cè)為同定墩，一側(cè)為補(bǔ)償器，軸向約束為0。支管軸向施加108MPa的壓力。
4.3模擬結(jié)果
圖6為幾何模型圖，圖7為網(wǎng)格劃分。由圖8—10可以看出在支管推力作用下，干管的變形很大；三通的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在肩部，符合實(shí)際受力情況，最大峰值應(yīng)力為1310MPa> 3[u]，最小應(yīng)力發(fā)生在管道下側(cè)面，為7.35MPa，二者相差極其懸殊；三通的最大位移發(fā)生在緊挨肩部的干管上，管道向外突出6.54mm。因此如果管道采用非加厚三通，管道必須做補(bǔ)償設(shè)計(jì)，所以管道三通支管必須做補(bǔ)償。
5 結(jié)論
三通的保護(hù)只注意了在干管上設(shè)置固定墩限制伸長(zhǎng)，加大了管井，增加了投資，優(yōu)化后在支管上裝補(bǔ)償器完全可以滿足要求，并用ANSYS模擬工程設(shè)計(jì)方案，得出非加厚三通會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過大。對(duì)于規(guī)程提出的干管軸向伸長(zhǎng)小于50mm時(shí)，三通可以不做處理，是否在大管徑時(shí)還適用，是否可以增大伸長(zhǎng)量還能滿足使用，用ANASY軟件進(jìn)行模擬分析驗(yàn)證。
在本文中應(yīng)用了ANSYS軟件對(duì)三通的應(yīng)力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，清楚看到應(yīng)力分布，特別是最大應(yīng)力點(diǎn)的位置及數(shù)值。表明ANSYS軟件有助于管道不連續(xù)點(diǎn)的應(yīng)力分析。
6摘要：三通是熱力管道中常用的管件，由于在管道運(yùn)行時(shí)，會(huì)在管道的連接處產(chǎn)生峰值應(yīng)力，因此管道容易產(chǎn)生局部疲勞破壞。本文針對(duì)一個(gè)實(shí)際工程進(jìn)行了應(yīng)力分析與計(jì)算，并利用ANSYS軟件對(duì)三通進(jìn)行了有限元分析，做到在滿足應(yīng)力要求的基礎(chǔ)上合理布置附件。
