论文部分内容阅读
摘要：介绍直埋蒸汽管道钢制外护管的热伸长的特点，探讨外护管热伸长对工作管的影响。
关键词：钢制外护管热伸长；内固定支架位移；工作管补偿
中图分类号： TU81 文献标识码： A
1.概述
直埋蒸汽管道正常运行时，钢制外护管（以下外护管均指钢制外护管）的温度可达到50℃。由于土壤摩擦力的作用，外护管的热膨胀受到约束，部分外护管完全没有位移，处于锚固状态；部分外护管靠近自由端，处于过渡段内，管道热应力大于土壤摩擦力，这部分外护管产生了一定的位移。工作管与外护管，在内固定支座位置完全固定，不会产生相对移动；外护管的位移通过内固定支座传递给工作管，对工作管的运行产生影响。本文主要分析直埋蒸汽管道外护管的热位移对工作管运行的影响。
2.外护管热位移对工作管自然补偿的影响
蒸汽管道采用自然补偿段，主要包括“L”型、“Z”型自然补偿等方式；工作管依靠弯头变形吸收管道热伸长，同时由于弯头的存在，外护管也会产生位移。外护管的热位移通过内固定支座，引起工作管自然补偿段的附加位移。
本文就“L”型自然补偿，将直埋敷设蒸汽管道（内固定支座有位移）与架空敷设蒸汽管道（固定支架没有位移）的热应力进行对比。
如图1所示直埋蒸汽管道，设计参数：设计压力为1.6MPa、设计温度为300℃；工作管规格为D529×9螺旋缝双面埋弧焊钢管（材质为20号钢），保温层为高温离心玻璃棉，其厚度为220mm；外护管D1016×11螺旋缝双面埋弧焊钢管（材质为Q235B），工作管采用3D无缝煨制弯头，外护管弯头采用斜接弯头（每条焊缝改变的角度不超过22.5°），管道净埋深为1.2m，外护管表面温度为50℃，自然补偿段以外的蒸汽管道为长直管道（管道存在锚固段）。
图1 直埋蒸汽管道自然补偿段示意图
根据以上条件，利用CAESARII分别建立钢套钢直埋蒸汽管道埋地模型（如图2）和蒸汽管道架空敷设模型（架空管道设计参数与直埋管道相同，自然补偿段管道支架位置相同）。
图2 直埋蒸汽管道CAESARII模型
改变力臂L的长度，建立力臂长度为7m、10m的直埋、架空蒸汽管道模型。计算结果如表1。
自然补偿段弯头、固定支（座）架位置工作管热应力 表1
根据表1，直埋蒸汽管道外护管位移导致工作管内固定支座的位移，增大了工作管弯头位置以及固定支座位置的热应力。当力臂长度为7m时，直埋敷设的工作管固定支座位置热应力由51.7％提高至72％，弯头位置热应力由30.9％提高至51.8％；当力臂长度为10m时，直埋敷设的工作管固定支座位置热应力由35.1％提高至49.6％，弯头位置热应力由25.8％提高至40％。以上应力分析表明，由于工作管在固定支座位置的位移，最终引起弯头形变量的加大，导致固定支座位置、弯头位置的热应力增大；并且应力增大的程度，随着自然补偿段力臂的减短更加明显。
直埋蒸汽管道敷设时，当自然补偿段力臂越短，工作管弯头位置、固定支座位置热应力越大，越需重视外护管位移对工作管的影响；需要控制自然补偿段力臂的长度，以避免工作管弯头位置或固定支座位置的热应力超过其许用应力。
3.外护管热位移对工作管补偿器补偿量的影响
直埋蒸汽管道长距离直线敷设时，可能存在外护管间断的位置，例如因设置阀门而导致外护管断开。由于外护管在间断位置形成自由端，两侧外护管将向该处膨胀伸长。此时该段工作管的补偿器设置，需要考虑内固定支座的位移。
如图3所示，管道设计参数及规格如图1，补偿段长度为50m，外护管断开位置两侧的蒸汽管道为长直管道（管道存在锚固段）。
图3 直埋蒸汽管道外护管间断示意图
通过CAESARII建立钢套钢直埋蒸汽管道埋地模型计算，该补偿器的补偿量为：
=174.9+40.5+25=240.4mm
其中174.9mm為该补偿段工作管热膨胀量，40.5mm为右侧内固定支座位移量，25mm为左侧内固定支座位移量。
4.外护管热膨胀量的影响因素
由于外护管的热位移对工作管产生不利的影响，因而需要控制外护管的热位移。若考虑整个外护管过渡段的膨胀量，其计算方法如下：
其中为管道线膨胀系数，为管道运行温度，L为直埋管道过渡段长度。在已确定管道的前提下，过渡段长度主要由管道运行温度和管道覆土深度决定；管道运行温度越低或者管道覆土深度越大，过渡段长度越小。不过增大直埋管道的覆土深度，将会减弱外护管的散热能力，提高外护管的运行温度，故而管道覆土不能过深。
控制外护管热膨胀主要在于控制外护管的运行温度。外护管的运行温度主要由保温层的保温性能决定，保温层的保温性能越好，外护管运行温度越低。
保温层性能主要包括保温材料的导热系数、保温结构、保温层含湿量等。保温材料导热系数越小，保温性能越好；而在保温层之间增加反射层，可以提高保温效率；管道运行时，尽可能的排除保温层空间的水份，同时避免外界的水份进入保温层空间，可以维持保温层的高保温性能。
5.结论
直埋蒸汽管道敷设时，处于过渡段的外护管产生热膨胀，通过内固定支座对工作管产生影响：当工作管采用自然补偿时，外护管热位移将提高工作管在内固定支座、弯头位置的热应力；当工作管采用补偿器补偿时，外护管热位移将增大补偿器的补偿量。
控制外护管的热伸长，重点在于控制外护管运时的温度；主要方法在于运用低导热系数的保温材料、高效的保温结构，以及维持干燥的保温层。
关键词：钢制外护管热伸长；内固定支架位移；工作管补偿
中图分类号： TU81 文献标识码： A
1.概述
直埋蒸汽管道正常运行时，钢制外护管（以下外护管均指钢制外护管）的温度可达到50℃。由于土壤摩擦力的作用，外护管的热膨胀受到约束，部分外护管完全没有位移，处于锚固状态；部分外护管靠近自由端，处于过渡段内，管道热应力大于土壤摩擦力，这部分外护管产生了一定的位移。工作管与外护管，在内固定支座位置完全固定，不会产生相对移动；外护管的位移通过内固定支座传递给工作管，对工作管的运行产生影响。本文主要分析直埋蒸汽管道外护管的热位移对工作管运行的影响。
2.外护管热位移对工作管自然补偿的影响
蒸汽管道采用自然补偿段，主要包括“L”型、“Z”型自然补偿等方式；工作管依靠弯头变形吸收管道热伸长，同时由于弯头的存在，外护管也会产生位移。外护管的热位移通过内固定支座，引起工作管自然补偿段的附加位移。
本文就“L”型自然补偿，将直埋敷设蒸汽管道（内固定支座有位移）与架空敷设蒸汽管道（固定支架没有位移）的热应力进行对比。
如图1所示直埋蒸汽管道，设计参数：设计压力为1.6MPa、设计温度为300℃；工作管规格为D529×9螺旋缝双面埋弧焊钢管（材质为20号钢），保温层为高温离心玻璃棉，其厚度为220mm；外护管D1016×11螺旋缝双面埋弧焊钢管（材质为Q235B），工作管采用3D无缝煨制弯头，外护管弯头采用斜接弯头（每条焊缝改变的角度不超过22.5°），管道净埋深为1.2m，外护管表面温度为50℃，自然补偿段以外的蒸汽管道为长直管道（管道存在锚固段）。
图1 直埋蒸汽管道自然补偿段示意图
根据以上条件，利用CAESARII分别建立钢套钢直埋蒸汽管道埋地模型（如图2）和蒸汽管道架空敷设模型（架空管道设计参数与直埋管道相同，自然补偿段管道支架位置相同）。
图2 直埋蒸汽管道CAESARII模型
改变力臂L的长度，建立力臂长度为7m、10m的直埋、架空蒸汽管道模型。计算结果如表1。
自然补偿段弯头、固定支（座）架位置工作管热应力 表1
根据表1，直埋蒸汽管道外护管位移导致工作管内固定支座的位移，增大了工作管弯头位置以及固定支座位置的热应力。当力臂长度为7m时，直埋敷设的工作管固定支座位置热应力由51.7％提高至72％，弯头位置热应力由30.9％提高至51.8％；当力臂长度为10m时，直埋敷设的工作管固定支座位置热应力由35.1％提高至49.6％，弯头位置热应力由25.8％提高至40％。以上应力分析表明，由于工作管在固定支座位置的位移，最终引起弯头形变量的加大，导致固定支座位置、弯头位置的热应力增大；并且应力增大的程度，随着自然补偿段力臂的减短更加明显。
直埋蒸汽管道敷设时，当自然补偿段力臂越短，工作管弯头位置、固定支座位置热应力越大，越需重视外护管位移对工作管的影响；需要控制自然补偿段力臂的长度，以避免工作管弯头位置或固定支座位置的热应力超过其许用应力。
3.外护管热位移对工作管补偿器补偿量的影响
直埋蒸汽管道长距离直线敷设时，可能存在外护管间断的位置，例如因设置阀门而导致外护管断开。由于外护管在间断位置形成自由端，两侧外护管将向该处膨胀伸长。此时该段工作管的补偿器设置，需要考虑内固定支座的位移。
如图3所示，管道设计参数及规格如图1，补偿段长度为50m，外护管断开位置两侧的蒸汽管道为长直管道（管道存在锚固段）。
图3 直埋蒸汽管道外护管间断示意图
通过CAESARII建立钢套钢直埋蒸汽管道埋地模型计算，该补偿器的补偿量为：
=174.9+40.5+25=240.4mm
其中174.9mm為该补偿段工作管热膨胀量，40.5mm为右侧内固定支座位移量，25mm为左侧内固定支座位移量。
4.外护管热膨胀量的影响因素
由于外护管的热位移对工作管产生不利的影响，因而需要控制外护管的热位移。若考虑整个外护管过渡段的膨胀量，其计算方法如下：
其中为管道线膨胀系数，为管道运行温度，L为直埋管道过渡段长度。在已确定管道的前提下，过渡段长度主要由管道运行温度和管道覆土深度决定；管道运行温度越低或者管道覆土深度越大，过渡段长度越小。不过增大直埋管道的覆土深度，将会减弱外护管的散热能力，提高外护管的运行温度，故而管道覆土不能过深。
控制外护管热膨胀主要在于控制外护管的运行温度。外护管的运行温度主要由保温层的保温性能决定，保温层的保温性能越好，外护管运行温度越低。
保温层性能主要包括保温材料的导热系数、保温结构、保温层含湿量等。保温材料导热系数越小，保温性能越好；而在保温层之间增加反射层，可以提高保温效率；管道运行时，尽可能的排除保温层空间的水份，同时避免外界的水份进入保温层空间，可以维持保温层的高保温性能。
5.结论
直埋蒸汽管道敷设时，处于过渡段的外护管产生热膨胀，通过内固定支座对工作管产生影响：当工作管采用自然补偿时，外护管热位移将提高工作管在内固定支座、弯头位置的热应力；当工作管采用补偿器补偿时，外护管热位移将增大补偿器的补偿量。
控制外护管的热伸长，重点在于控制外护管运时的温度；主要方法在于运用低导热系数的保温材料、高效的保温结构，以及维持干燥的保温层。