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彎頭知識

相關規范針對直埋彎頭的應力計算

作者:孟村彎頭 時間:2019-05-17 10:56
       直埋敷設供熱彎管,與地溝敷設、架空敷設等供熱彎管相比,主要區別在于直埋彎管兩側的側向位移受到土壤反力作用不能自由伸縮,因而大大降低了它的自然補償作用。另一方面應力驗算的驗算點發生了變化。
       眾所周知,地溝敷設供熱彎管其“L”型補償器的應力驗算點是短臂的固定點處,而采用直埋敷設時危險點出現在“L”型彎管的上下兩側。直埋彎頭作為直埋供熱管道的重要構件,既是過渡段熱膨脹的自然補償器又是管道系統受保護的元件。當彎頭側臂較長,曲率半徑較小,循環溫差較大時,會招致峰值應力,發生低頻次的循環塑性變形。盡管和無補償直管道不同,循環塑性變形對彎頭晶體結構的損傷要小得多,但是仍會在循環一定次數后發生疲勞破壞。因此,直角彎管設計的任務是能進行彎頭的疲勞分析,了解影響彎頭應力變化的因素,根據實際情況選擇曲率半徑、側臂長度,為彎頭提供彈性膨脹區域,在滿足使用壽命的條件下,使彎頭的補償能力最大化。
1、直埋規程
      彎頭的受力情況與彎頭的處理方式有很大的關系,不同的處理方式,彎頭的應力驗算點和計算方法都有很大的區別。
1.1彎管的工程做法
     為了充分利用自然彎頭的補償能力,通常在供熱管網的直埋設計中對彎管的彈性臂側做特殊處理,總結幾年的工程經驗有下列幾種方法
     1.彎頭處做空穴
     所謂空穴即不通行地溝。直埋管道保溫外殼直接放置在空穴地板上,地板要求水泥壓光。從直埋到空穴穿墻處應做防水穿墻套管。
     2.彎頭兩側放置膨脹墊
    為了增加自然彎頭的補償能力,彎頭兩側放置膨脹墊塊。如圖4-1和圖4-2為平板膨脹墊塊。我國采用最多的是聚苯板。
矩形膨脹墊塊示意圖凹形膨脹墊塊示意圖軟回填斷面圖
       3.彎頭處設膨脹區
       彎頭處管子和溝壁之間加大開挖量,用加厚的砂墊層來吸收熱膨脹變形量,根據ABB提供的資料,埋深小于1.5m且膨脹量小于80mm時,彎頭兩側可加大溝槽開挖寬度約一個保溫外殼的直徑大,填補0~8mm的無粘土的砂子,最多可有15%的8~20mm的砂粒。膨脹區內管子周圍砂層的密實度不應超過下列數值。
(1)不均勻指數<4時,標準密度實度最大于98
(2)不均勻指數<8時,標準密度實度最大于94
不均勻指數等于60%通過的砂粒大小除以10%通過的砂大小。 
      如果采取上述第1種和第2種的敷設方法,對彎頭彈性臂兩側進行處理,那么彎頭的應力驗算等同于地溝或架空彎頭的應力驗算,彎頭可以安全工作。如果采用上述第3種方法鋪設彎管,又要求彎管具備一定的補償能力,那么必須對彎頭按照直埋彎管的設計方法仔細進行彎管的疲勞分析和計算。
       彎頭破壞是峰值應力產生的疲勞破壞。對于熱力管道,由于溫度循環次數相對較少,可以采用簡化的疲勞分析,即使用疲勞試驗的加強系數,同時直接采用安定性分析的強度條件,來判別應力是否滿足要求,是否能在安定狀態下工作。
1.2強度條件
       由于直埋彎管危險點處的環向應力和軸向應力都為拉應力,而徑向應力(最小主應力)近似為零,當采用第三強度理論時,彎頭處的總應力就是環向應力,它包括彎矩產生的環向應力和內壓產生的環向應力兩部分。
      采用簡化疲勞分析時,彎頭處應力的變化幅度及其強度條件可表示為
 
式中△б為彎頭處總應力的變化幅度,MPa;бpt為彎頭在彎矩作用下的最大環向應力變化幅度,MPa;бpt為直埋彎頭在內壓力作用下彎頭頂部(底部)的環向應力,實際就是運行工況下的環向拉應力, MPa;M為彎頭的彎矩變化范圍,N·m;βb幾為彎頭平面彎曲環向應力加強系數(疲勞試驗應力加強系數);rbo為彎頭鋼管的外表面半徑,m;Dbi為彎頭鋼管的內徑,m,彎頭和直管等壁厚時Dbi=Di;rbi為彎頭鋼管的內表面半徑,m;彎頭和直管等壁厚時rbi=ri, δb為彎頭鋼管的公稱壁厚,m,可以采用和直管等壁厚的彎頭,也可以采用加厚彎頭,由設計確定,rbm為彎頭鋼管橫截面的平均半徑,m。
1.3彈性抗彎鉸解析法對彎管的臂長要求
       強度計算中,可以采用有限單元法或彈性抗彎鉸解析法進行計算,采用有限單元法時,將彎頭看成有限個柔性變大的直管單元,需要通過程序在計算機上完成性抗彎鉸解析法時,將彎頭簡化為彈性抗彎鉸,既可電算又可手工計算。
       采用彈性抗彎鉸解析法時,為了簡化公式,通常忽略管臂兩端點的剪力,管的臂長應滿足公式:
 
        下面的計算采用了這種經過簡化的彈性抗彎鉸解析法。
1.4過渡段長度
        在被動外力作用下,升溫時彎頭兩側產生軸向位移的管道存在一極限滑動長度一過渡段長度。當固定墩到彎頭的距離(即彎臂長度)小于過渡段長度時,整個彎臂將產生滑動,否則,滑動僅發生在靠近彎頭的過渡段長度范圍內。
1.5水平轉角管段計算
    1.水平轉角管段的過渡段長度應按下列公式計算
 
式中:K為彎頭鋼管的柔性系數;光滑彎管,K=1.65/λ;焊制彎頭,K=1.52/λ5/6;ltmax為水平轉角管段在設計溫度和安裝溫度差作用下的過渡段長度,受安裝溫度的影響顯著,m;lt為水平轉角管段在循環溫差作用下的過渡段長度,m。Φ為轉角管段的折角(鄰補角)(弧度)。
      2.水平轉角管段的計算臂長lc1、lc2和平均計算臂長lcm
 
式中:l1,l2為當轉角管段兩臂布置固定支架時為彎管兩側臂長,m;當轉角管段兩臂布置補償器時,分別為彎管到兩補償器間駐點的長度,m;
      3.彎頭的彎矩變化范圍
 
      4.水平轉角管段彎頭的升溫軸向力計算
    (1)水平轉角管段的計算臂長lc1、lc2和平均計算臂長lcm的確定
 
(2)彎頭軸向力應按下列公式計算
當計算臂長lc1=lc2=lcm
 
式中N為彎頭兩側計算臂長相等時的軸向力,N;N1為彎頭兩側計算臂長不相等時,l1側的軸向力,N;N2從為彎頭兩側計算臂長不相等時,l2側的軸向力,N。

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