試述室外采暖管道受力分析

宋程程 趙貴峰

摘要：在供熱管道的設計中，管道的受力分析和計算是相當重要的一個環(huán)節(jié)，它是管道工程設計的基 礎，也是供熱系統(tǒng)高效、經(jīng)濟、安全運行的重要保障。因此，要確保熱網(wǎng)管道在運行過程中的安全性，必須采用 科學合理的設計方法，通過對供熱管道進行受力分析與計算，以便確保供熱管道高效、安全、可靠地運行。

關鍵詞：熱網(wǎng)管道；受力分析

1供熱管道受力分析概述

供熱壓力管道設計包括配管、管道材料和管道受力三個重要方面，其中最為關鍵的是管道受力，它跟管道自身和與其相連的設備、土建結構的安全有著直接的關系，因此做好供熱管道的管道受力分析成為重中之重，在管道設計中也成為至關重要的一個環(huán)節(jié)。管道受力分析與計算是管道工程設計的前提基礎，它一定程度上決定這供熱 系統(tǒng)能否正常、安全的運行。但是在目前的管網(wǎng)運行中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些爆管、管道開裂等問題。據(jù)有關統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，熱網(wǎng)常見事故中管道破裂故障大約為 5%～24%，補償器損壞故障大約為4%～6%，閥門故障大約為 4.5%。這些故障的出現(xiàn)，有自然老化腐蝕的因素，也有認為管理維護方面的原因，但很大一部分原因是因為對管道的受力分析沒有做好，管道、補償器和閥門在設計過程中 受力計算不合理，或者沒有進行受力分析與計算直接草率選擇型號造成的。

2室外供熱管網(wǎng)的敷設方式

室外供熱管網(wǎng)的敷設方式根據(jù)地理位置、周圍環(huán)境和地質條件等因素，分為地上敷設、管溝敷設和直埋敷設三種。地上敷設根據(jù)架設的高度分為低、中、高三個層次；地下敷設又分為管溝敷設和直埋敷設兩種。敷設方式的不同，其受力分析和計算的方法也有一些區(qū)別。對于直埋管道敷設方式來說，具有節(jié)約投資、占地少、施工周期短、熱損失小、使用壽命長和維修小等優(yōu)點，大量使用在城市集中供熱管網(wǎng)中。但因為管道直埋于土壤中，直埋管道的溫度受土壤影響應力遠大于地溝或架空敷設的管道，故在直埋管網(wǎng)設計中必須采用應力分析法計算受力影響。

3對管道進行受力分析的作用

在供熱管道工程設計中，對管道進行受力分析和計算，主要是為了清楚的掌握管道的強度、剛度等指標，為管道的科學合理的布置、安裝和配置提供科學的參考依據(jù)。通過受力分析計算，為土建、設備等專業(yè)所需的設計條件提供翔實準確的參考依據(jù)。因此做好管道受力分析非常必要，其意義就在于計算管道因熱脹和冷縮，內壓和外載作用所引起的力和應力，對設計的管道安全和經(jīng)濟性進行判斷。

3.1 保證運行安全

當出現(xiàn)管道布置不合理或者受力計算不正確時，會引起管道或支架破壞等一系列問題，運行過程中由于管道應力而出現(xiàn)事故也時有發(fā)生，對整個管網(wǎng)系統(tǒng)和設備運行帶來較大的安全隱患，嚴重的還會造成人員傷亡等重大事件。通過對供熱管網(wǎng)的受力分析與計算，保證管道的較好的柔性，為整個管網(wǎng)系統(tǒng)和配備的裝置安全可靠、高效平穩(wěn)運行提供寶貴的技術支持。

3.2減少人工成本

管道工程設計中的管道受力分析，是一項復雜而繁瑣的工作，涉及因素多，采用人工計算任務繁重數(shù)據(jù)繁瑣，很容易出現(xiàn)計算錯誤。采用計算軟件進行分析與計算，數(shù)據(jù)準確、結果可靠。用計算機軟件計算對配管設計進行輔助，不僅節(jié)省了設計上花費的時間，也減少工作人員的勞動強度。

3.3使工程投資更加高效

根據(jù)受力分析可以更加合理地布置管架，精確計算管架的個數(shù)和它的承重，減少不必要的土建投資成本；可以清楚了解補償器等管道配件的準確設計參數(shù)，避免選型過大造成浪費或者選型過小達不到系統(tǒng)設計要求，增加投資的合理性。

4供熱管道應力計算

供熱管道應力計算是通過對供熱管道的力矩、應力以及由內壓力、外部荷載和熱脹冷縮引起的力等指標的計算，對管道的結構尺寸進行確定，并采取適當?shù)难a償措施，使設計的供熱管道不僅經(jīng)濟合理，運行也能夠安全可靠。

4.1應力分類

管道承受內壓力和持續(xù)外載產(chǎn)生的應力稱為一次應力，一次應力一旦超過極限，管道極易發(fā)生無限塑性流動導致管道爆裂或斷裂。因此，為了使管道不產(chǎn)生塑性流動，必須對一次應力進行極限分析并合理控制；管道由于熱脹、冷縮位移作用產(chǎn)生的應力稱為二次應力，如果二次應力超過了極限，管道就會產(chǎn)生有限的塑性變形，引起鋼管內部結構的損傷，時間久了，塑性重復往返變形也會引起廣島損壞。

一是選定或校核鋼管壁厚；

二是確定活動支座的最大允許間距；

三是分析固定支座受力情況，計算其受力大小；

四是計算管道的熱伸長度，確定補償器的結構尺寸和它的彈性力。

Δx=a（t1-t2）L

式中Δx管道的熱伸長量a管道的線膨脹系數(shù)t1管壁最高溫度

t2管道安裝時的溫度L計算管段的長度

5結束語

近年來我國的供熱管網(wǎng)技術不斷成熟，運行質量和水平不斷提升，但供熱管網(wǎng)是一個系統(tǒng)工 程，只要有一處發(fā)生故障，就會導致與其相關聯(lián)管段都不能正常運行，嚴重的導致整個管網(wǎng)的正常運行，造成一定經(jīng)濟損失。因此，只有加強對供熱管道的受力分析和研究，為供熱管道的正常運行提供準確的理論依據(jù)和參考數(shù)據(jù)，科學合理的設計管道敷設，才能為整個熱網(wǎng)的可靠安全運行提供保障。今后要加強對供熱管道受力分析計算的研究和創(chuàng)新，不斷創(chuàng)新出更加科學、先進的管道受力計算軟件來，提高其使用效果和價值，為供熱管網(wǎng)事業(yè)的發(fā)展，作出更大的貢獻。

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