“钢套钢”直埋蒸汽管道中支架的设计

2019-05-30

一、前言 目前,钢套钢直埋蒸汽管道在我国城镇集中供热管网中已经有大量的应用,在工程实践中积累了丰富的经验,但是,由于目前我国尚没有生产和设计直埋蒸汽管道的相关规范和标准,因此,管道的生产和使用在一定程度上还存在一些技术问题,本文在理论计算的

一、前言
    目前,“钢套钢”直埋蒸汽管道在我国城镇集中供热管网中已经有大量的应用,在工程实践中积累了丰富的经验,但是,由于目前我国尚没有生产和设计直埋蒸汽管道的相关规范和标准,因此,管道的生产和使用在一定程度上还存在一些技术问题,本文在理论计算的基础上,对“钢套钢”直埋蒸汽管道中滑动支架、导向支架以及固定支架的布置方式作初步的探讨,仅供参考。
二、“钢套钢”直埋蒸汽管道中的支架型式
    根据管道的不同位置,以及不同的用途,可以在“钢套钢”直埋蒸汽管道中应用三种支架,分别为导向支架、滑动支架和固定支架。
2.1 导向支架
    在“钢套钢”直埋蒸汽管道中,在弯头、折角等方向改变部件的直管段中通常使用导向支架,导向支架用于限制工作钢管在外保护层钢管中的移动空间,它防止了工作钢管的径向位移,使工作钢管只能沿着管道的轴向自由膨胀。导向支架结构如下图所示:
导向支架结构图
    导向支架结构图

2.2滑动支架
    在有吸收管道膨胀变形能力的弯头两段管道中,为了使弯头能够自由地吸收管道的膨胀变形,通常使用滑动支架。只限制工作钢管沿管道垂直径向向下的位移,而不限制工作钢管在外保护钢管内沿其它方向自由移动,这样有利于变形的吸收和管道中应力的分散。滑动支架结构如下图所示:
滑动支架结构图
    滑动支架结构图
2.3固定支架
    固定支架用于保护管道中的折角、弯头等管件,平衡管道中的应力,阻止管道中应力的传递。由固定支架的结构型式可知,它可以承受很大的轴向力,但却没有抵抗径向剪切力的能力,因此,在布置支架时,应尽量降低固定支架的径向剪切力,使其承受轴向力,这样才能保证固定支架的安全使用和整个管网的安全。固定支架结构如下图所示:
固定支架结构图
    固定支架结构图

三、管道中支架不同布置方式的计算分析
3.1 计算条件
    本文选用工作钢管管径为D529×7.0的蒸汽管道进行计算研究,输送介质为140℃低温蒸汽,压力为2.0Mpa,现分别选用3°和6°的折角、在四种不同支架布置方式的情况下,对导向支架、固定支架和折角等处应用CAESARII软件进行力学计算和分析。
3.2 四种支架布置方式
    管道中滑动支架、导向支架以及固定支架的布置位置不同,直接影响其受力的状态,因此,选用四种不同的布置方式进行计算分析,从中总结出有实用价值的规律。图中Ps为沿管道直径方向传递的力,Pr为沿管道轴向传递的力。四种布置方式如下图所示:
四种布置方式图
    四种布置方式图
3.3 计算数据及分析
    经过CAESARII软件计算以后,对应上图中的各点,可以得到计算结果如表1所示:
表1 管道中支架的力学计算数据
    表1 管道中支架的力学计算数据
    由表1中数据可以得到以下结论:
    1、由表1中数据可知,折角处固定支架、滑动支架、导向支架的布置对管道中各点的受力影响很大,尤其是对固定支架受力的影响尤其显著。
    2、由固定支架的结构特点可知,为了使其正常地工作,应使其在小剪切力的状态下工作,因此,由表1中数据可以看出,四种布置方式中,前三种布置方式折角处的弯曲力矩几乎没有变化,但是类型三中的固定支架承受的的剪切力最小,几乎没有径向剪切力,虽然这时固定支架出轴推力最大,但是这仍然是固定支架有利的工作状态,因此,在管网设计时,应尽量避免将固定支架直接靠近折角安装,应在固定支架与折角之间设置导向支架,尽量增大固定支架与折角之间的距离,这样才能实现对折角的保护。
    3、当在折角与固定支架之间设置滑动支架时,从表中类型四可以看出,这时折角处的弯曲应力是前三种类型的2.5倍,原因是在靠近折角设置了滑动支架,而滑动支架只对工作钢管起支撑的作用,它没有限制工作钢管移动的方向,致使折角两侧直管段产生的热胀变形直接传递到折角处,而小角度折角没有吸收热胀变形的能力,因此折角处的应力很大;同时,由于折角处产生的径向力的传递方向没有得到限制,导致固定支架径向剪切力相当大,这对于固定支架的安全是十分不利的,而且,此时,折角处于高应力状态,很容易破坏,而且固定支架没有很好地起到保护折角的作用,因此,在小角度折角处靠近折角的位置设置滑动支架是不可取的。
四、结论
    “钢套钢”直埋蒸汽管道的设计尚处于实践和摸索阶段,需要广大工程技术人员在工程中不断地探索和总结,正确地使用“钢套钢”直埋管道的各种支架有利于对管网进行科学地设计,保证管网的长期安全稳定地运行。