影響豎向彎頭承載能力的因素分析

賀曉亮

1 概述

直埋敷設轉角管段，在石油、天然氣長輸管線中大量使用，且由于石油、天然氣長輸管線常常敷設在荒郊野外，甚至翻山越嶺，折角通常較大，北京石油大學的崔孝秉教授做過大量的研究［1，2］，其研究的結果正在石油、天然氣行業，以及相關領域得到采納或者借鑒。在20世紀70年代進行了“熱力管道無補償直埋敷設試驗研究”課題的研究工作，并在1987年根據研究結果進行分析、總結所編制的《熱力管道無補償直埋敷設設計與計算》一書［3］中，引用崔孝秉教授的研究成果，提出了直埋供熱豎向轉角管段受力計算的方法。文中對影響豎向彎頭應力變化幅度的因素進行了分析，從而采取有效措施提高豎向彎頭的安全性。

2 豎向轉角管段的影響因素

為了使研究和分析的成果更具有針對性，能夠直接為豎向直埋轉角管段的設計提供參考和借鑒，將分析的基礎參數及管網工作參數界定在《規程》規定的范圍內，即:工作壓力不大于1.6 MPa，循環最高溫度為130℃，循環最低溫度10℃，預制保溫管為聚乙烯外護、聚氨酯保溫，Q235鋼管，土壤與高密度聚乙烯外護間的摩擦系數μmin=0.2，μmax=0.4，土壤的密度取ρ=1 800 kg/m3。考慮到為盡可能全面地反映各因素的影響程度，在《規程》規定的參數范圍內，選擇和改變一系列的設計參數，按照轉角管段兩臂對稱自然錨固的狀態，計算出錨固彎矩變化范圍。

2.1 管網設計壓力對彎頭應力變化幅度的影響

當兩臂無限長(lcd=ltd)，Rc=3DN，h=1.2 m，φ=90°，ΔT= 120℃時，壓力與彎頭應力變化幅度圖見圖1。

由圖1可知，隨著壓力的增加，彎頭應力變化幅度緩慢減小，由此可見在彎頭應力驗算時，應注意設計壓力的選取。

2.2 管頂埋深對彎頭應力變化幅度的影響

當兩臂無限長(lcd=ltd)，Rc=3DN，Pn=1.6 MPa，φ=90°，ΔT= 120℃時，埋深與彎頭應力變化幅度圖見圖2。

由圖2可以看出，隨著管頂埋深的增加彎頭應力變化幅度緩慢降低。在同樣條件下，大口徑彎頭應力變化幅度會遠小于小口徑彎頭。大口徑豎直向下彎頭隨埋深的變化彎頭應力變化幅度不明顯，所以不能通過調整埋深來滿足彎頭疲勞強度的要求。

2.3 循環溫差對彎頭應力變化幅度的影響

當兩臂無限長(lcd=ltd)，Rc=3DN，Pn=1.6 MPa，φ=90°，h=1.2 m時，循環溫差與彎頭應力變化幅度圖見圖3。

由圖3可以看出，隨著循環溫差的增加豎向彎頭應力變化幅度顯著增加，大口徑彎頭應力變化幅度在同條件下要遠小于小口徑彎頭應力變化幅度，故隨著管徑的增大，抵抗二次應力破壞的能力越強。小口徑豎向彎頭的應力變化幅度增加速度比大口徑豎向彎頭應力變化幅度快。

2.4 彎頭曲率半徑對彎頭應力變化幅度的影響

當兩臂無限長(lcd=ltd)，ΔT=120℃，Pn=1.6 MPa，h= 1.2 m時，曲率半徑與彎頭應力變化幅度圖見圖4。

由圖4可以看出，隨著豎向彎頭曲率半徑的增加豎向彎頭應力變化幅度顯著降低，彎頭曲率半徑是影響彎頭應力變化幅度主要的因素，并且隨著管徑的增加，彎頭應力變化幅度越小。

2.5 轉角管段的折角對彎頭應力變化幅度的影響

當兩臂無限長(lcd=ltd)，Rc=3DN，ΔT=120℃，Pn= 1.6 MPa，φ=90°，h=1.2 m時，豎向轉角管段的折角與彎頭應力變化幅度圖見圖5。

由圖5可以看出，隨著豎向轉角管段的折角的增加彎頭應力變化幅度先增加后降低。在相同條件下，隨著管徑的增加彎頭應力變化幅度明顯降低。關于彎頭壁厚對彎頭應力幅度的影響不再討論，根據已有的文獻可知，彎頭壁厚對彎頭應力幅度的影響不明顯，可以作為安全余量［6］。

3 結語

通過分析可得，管網設計壓力、埋深、循環工作溫差、彎頭的曲率半徑和轉角管段的轉角對直埋供熱豎向轉角管段彎頭的承載能力有不同程度的影響，且影響的規律不同，其中循環工作溫差、彎頭的曲率半徑和轉角管段的折角的影響最為明顯。這些計算規律與文獻［7］吻合。

［1］ 崔孝秉.埋地長輸管道水平彎頭的升溫載荷近似分析［J］.華東石油學院學報，1978(2):54-68.

［2］ 崔孝秉.“L”形及“Z”形直埋熱力管道的內力計算［J］.華東石油學院學報，1981(3):64-79.

［3］ 北京市煤氣熱力工程設計院.熱力管道無補償直埋敷設設計與計算［Z］.1987.

［4］ 王 飛，張建偉.直埋供熱管道工程設計［M］.北京:中國建筑工業出版社，2007:73-74.

［5］ CJJ/T 81-98，城鎮直埋供熱管道工程技術規程［S］.

［6］ 韓 飛，張俊紅.基于彈性抗彎鉸解析法的直埋水平轉角彎頭承載能力影響因素分析［J］.區域供熱，2008(1):48-57.

［7］ 肖錫發.影響直埋供熱豎向轉角管段彎頭承載能力的因素分析［J］.區域供熱，2000(2):21-24.