直埋供热管道的局部稳定性分析.doc

直埋供热管道的局部稳定性分析 核工业第四研究设计院 陈学营 王献庭 邵秋 Analysis for Local Stability of Buried Heat Supply Pipelines Chen Xueying Wang Xianting Shao Qiu ( The Fourth Institute of Nuclear Engineering ) 摘要: 本文应用经典板壳稳定性理论， 对 直埋供热管道可能出现的局部稳定破坏进行了深入分析和研究。提出了判定直埋供热管道局部稳定性的验算条件，并且推导出了高温水直埋管道（ Q235 钢）锚固段轴向失稳的临界径厚比。 关键词: 直埋供热管道 大口径 无补偿 稳定性 局部失稳 1、前言 直埋供热管道可能的破坏方式包括强度破坏和稳定破坏两个方面，其中稳定破坏又包括整体稳定破坏和局部稳定破坏两种方式。我国现行的《城镇直埋供热管道工程技术规程》 （ CJJ/T81-98 ） 对管道的强度破坏和整体稳定破坏的验算已有详细的规定，但是没有包括管道的局部稳定性分析。在欧洲区域供热管道厂商协会颁布的《区域供热手册》 [1] 中，虽然给出了管道局部屈曲（即局部失稳）的验算公式，但手册中明确规定该公式只适用于最小屈服强度大约为 240N/mm 2 的钢号，对于其他钢号则应推导出另外的公式，该公式是一个经验公式。另据初步了解，该公式适用于 DN600 以下规格的管道，是否适用于 DN600 以上的管道并不明确。因此，如何应用和理解该公式还有待于进一步研究探讨。 　　 直埋供热管道在工作中主要承受介质内压、土壤（包括车荷载）横向外压和温差轴向力，直埋供热管道的力学模型可以简化为薄壁长圆柱壳或长圆筒。根据经典的板壳稳定性理论 [2] ，圆筒在横向外压或轴向压力作用下均可能产生局部屈曲。为解决工程建设的迫切需要，本专题对直埋供热管道局部失稳的力学特性进行了深入分析和研究。 2、横向外压作用下直埋管道的局部稳定条件 2.1 局部屈曲变形和临界压力 　　 圆筒受到横向外压作用后，在筒壁内将产生环向压缩应力σt，这种压缩应力如果增大到材料的屈服极限时，将和内压的作用一样，引起筒体的强度破坏。但是，对薄壁壳体，往往是筒壁内的压缩应力低于材料的屈服极限σs 时，筒壁就已经被压瘪，圆形的筒体变成了椭圆形或曲波形，这种现象就叫做局部屈曲（见图1）。 图 1 横向外压圆筒局部屈曲后的形状 随变形条件的不同，变形波数 n 可以是 2 ， 3 ， 4 ， 5 ……。长圆筒屈曲时总是产生两个波，即椭圆变形[3] ，这一现象适用于直埋管道，而其它波形适用于短圆筒或压力容器。 　　 导致筒体失稳时的横向外压称为该筒体的临界压力，用 P cr 表示， 1886 年勃莱斯（ Bresse ）推导出长圆筒的临界压力值为： 　　 （1） 式中：μ——波桑系数　δ——实际壁厚，mm；　D m ——圆筒平均直径，mm；　E——弹性模量， MPa 　　值得注意的是，上述公式的一个重要的适用条件是筒体承受周向均匀外压。但是，对直埋供热管道而言，管道在顶部及周围土壤作用下产生的外压沿周向非均匀分布，最大压应力出现在管顶，最小压应力出现在管道侧面。因此，必须应用其他方法来研究管道的椭圆变形稳定条件。 2.2 直埋管道的椭圆变形稳定条件 　　 根据输油和输气管道工程设计规范 (GB50253-94 和 GB50251-94) 对直埋管道椭圆变形的研究，由于柔性敷设的管道能够利用其周围土壤的承载能力，当变形达到钢管外直径的 20% 时，才发生整体结构破坏。但石油管道局职工学院的试验表明，当变形达到钢管外直径的 5% 时，管壁开始出现屈服。为保证管道安全，规范规定管道的椭圆变形量应小于钢管外径的 3% 。管道的椭圆变形量推荐采用依阿华公式计算 : （2） （2） -1 （2） -2 （2） -3 式中：△X——钢管水平方向最大变形量（mm）　 W——作用在单位管长上的总竖向荷载（N/m） 　 W 1 ——单位管长上土壤等竖向永久荷载（N/m）　W 2 ——地面车辆等可变荷载传递到管道上的荷载（N/m）　 Z—— 钢管变形滞后系数，宜取 1.5 ；　　　　E—— 钢材弹性模量（ N/m 2 ）； 　 I——单位管长截面惯性矩（ m 4 /m ）；　　　K——基床系数，按文献 [5] 取值； 　 E s ——土壤变形模量（ N/m 2 ），现场实测数； 　　 根据上述公式，当地质条件和钢材种类一定时，管顶覆土深度越大，要求钢管壁厚越大；反之，要求钢管壁厚较小。对一定的覆土深度，存在相应的钢管椭圆变形临界壁厚。 3、温差轴向压力作用下直埋管道的局部稳定性 3.1 轴向受压作用下圆