鋼套鋼直埋蒸汽管道鋼質(zhì)外護管計算方式

1鋼質(zhì)外護管計算方式 概述

    關(guān)于帶有空氣層的保溫結(jié)構(gòu)鋼套鋼直埋蒸汽管道鋼質(zhì)外護管的剛度和穩(wěn)定性要求，CJJ 104—2005《城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)第6.2.2條指出^[1]：對帶空氣層的保溫結(jié)構(gòu)，鋼質(zhì)外護管的外徑與壁厚的比值不應(yīng)大于100。根據(jù)這項要求，在已知鋼質(zhì)外護管(采用螺旋縫鋼管)外徑的情況下，不難確定其zui小壁厚。如外徑為720mm的鋼質(zhì)外護管zui小壁厚為8mm，外徑為377mm的鋼質(zhì)外護管zui小壁厚為4mm，外徑為2020mm的鋼質(zhì)外護管zui小壁厚為21mm。在上述3個例子中，只有Ф720×8是常用規(guī)格，在市場上容易買到。對于Ф377×4、Ф2020×21規(guī)格，由于前者壁厚太薄后者太厚，因此在市場上買不到，而且CJ/T3022—1993《城市供熱用螺旋縫埋弧焊鋼管》中也沒有這兩種規(guī)格。

    我們認為，《規(guī)程》要求外徑與壁厚的比值不大于100，在實踐中出現(xiàn)了一些問題。本文結(jié)合理論與實踐，對帶有空氣層的保溫結(jié)構(gòu)鋼套鋼直埋蒸汽管道鋼質(zhì)外護管，給出在滿足剛度和穩(wěn)定性要求條件下的管壁zui小厚度及合理厚度的計算方法。

2 鋼質(zhì)外護管徑向變形量計算^[2]

在地下取單位長度鋼質(zhì)外護管，使單位長度管道產(chǎn)生zui大徑向變形的zui不利受力情況，為管道上部受到zui大集中荷載。為簡化計算，土壤對管道側(cè)面的約束力和管道的自重忽略不計，管溝底假設(shè)為剛性。根據(jù)計算彈性體定向變形量的莫爾定理舊1，管頂水平變形量△d_s的積分表達式為：

式中△d_s——管頂水平變形量，mm

    R——鋼管外半徑，mm

    E——鋼材的彈性模量，MPa

    δ——鋼管壁厚，mm

    F——作用在單位長度管道上的力，N/m

    θ——管壁任意點相對管中垂線的夾角，(°)

    M——管頂上的彎矩，N·mm

    由邊界條件△d_s=0得到：

    將式(2)代入管頂徑向變形量△d_p(單位為mm)的積分表達式，得到：

    將式(3)進行積分得到：

式中D——鋼管外徑，mm

    式(4)可寫成：

式中K——系數(shù)，mm

3 鋼質(zhì)外護管壁厚的確定

《規(guī)程》第6.2.3條指出：鋼質(zhì)外護管直徑的變形量不得大于鋼管外徑的3%。因此，由式(5)得：

因此，鋼質(zhì)外護管的壁厚應(yīng)滿足由式(7)。這時，確定鋼質(zhì)外護管zui小壁厚的關(guān)鍵問題在于確定K，但真正有使用價值的K，很難通過試驗或理論計算方法確定，但可以從大量的實際工程和實踐中得到。例如，大多數(shù)人認為外徑為529mm的鋼質(zhì)外護管的壁厚可選為6mm，這符合《規(guī)程》要求。壁厚選取5.5mm也符合《規(guī)程》要求，但多數(shù)人認為5.5mm太薄了。因此，在工程中幾乎沒有人使用Ф529×5.5或更薄的鋼質(zhì)外護管，而選用規(guī)格為Ф529×6鋼質(zhì)外護管，且經(jīng)過*實踐證明是安全可靠的。因此，我們認為Ф529×6的規(guī)格可作為計算各種外徑鋼質(zhì)外護管zui小壁厚的依據(jù)。將外徑529mm、壁厚6mm代入式(7)，計算得K=2.316×10^-5mm。即得到各種外徑鋼質(zhì)外護管zui小壁厚δ_min的計算式：

式中δ_min——鋼質(zhì)外護管zui小壁厚，mm

    約80%的人認為將規(guī)格為Ф529×6的鋼管作為鋼質(zhì)外護管在工程中應(yīng)用得不少，到目前為止沒有出現(xiàn)問題，已證明是安全可靠的。但從吊裝、運輸、堆放等環(huán)節(jié)不易出現(xiàn)變形和方便性考慮，感覺管壁再增厚一點更加合理，認為Ф529×7規(guī)格更為合理，并且在工程實踐中使用也很多。將外徑529mm、壁厚7mm代入式(7)，計算得K=3.677×10^-5mm。即得到各種外徑鋼質(zhì)外護管合理壁厚δ_r(單位為mm)的計算式：

    由式(8)、(9)，可計算出不同外徑鋼質(zhì)外護管的zui小壁厚與合理壁厚，見表1。

表1 不同外徑鋼質(zhì)外護管的zui小壁厚與合理壁厚    mm

    本文計算過程及結(jié)果是以鋼管滿足剛度條件為前提的，而未考慮強度和穩(wěn)定性。以強度或穩(wěn)定性驗算鋼管的zui小壁厚比較簡單。在正常覆土深度(小于等于8m)情況下，根據(jù)經(jīng)典板殼穩(wěn)定性理論^[3]，經(jīng)驗算，表1中的數(shù)據(jù)能滿足強度和穩(wěn)定性要求，且富余量較大。