基于模糊数学的区域锅炉房供热直埋管道疲劳循环次数研究

摘要

随着我国集中供热技术和工程的发展，许多供热直埋管道在复杂、多变的工作环境下运行，不稳定性因素增多，疲劳破坏事故更是时有发生。供热管网最大年温差疲劳循环次数作为管网疲劳寿命的一种统计数据，不仅能充分考虑大小循环温差产生的热应力对管网的损伤，而且在减少管网损伤、提高管网寿命等方面具有重要的意义。供热管网的运行事故频次和循环温差对其疲劳寿命有着重要而直接的影响。然而，已有研究大多侧重于对整体管网或以热电厂为热源的研究，而有关以区域热水锅炉房为热源的供热管网疲劳寿命的研究鲜有报道。 鉴于此，本文在以区域热水锅炉房为热源的管网运行事故频次和运行参数的基础上，利用模糊数学理论，对管网中存在的模糊现象进行深入分析，并对运行温差进行数据处理，获得相应最大年温差疲劳循环次数，研究成果对我国集中供热直埋管道的安全运行有重要的理论和实际意义。 首先，本文针对供热直埋管道所受载荷和应力进行分类，并逐一分析供热直埋管道四种极限状态下的管道受力和破坏情况，得出对于供热直埋管道疲劳寿命，低循环疲劳破坏对其影响较大，可以通过采集测量供热管道运行温度对其进行研究。 其次，分析供热直埋管网中热应力是否对管网造成损伤的问题上存在模糊现象，引入模糊数学理论对供热直埋管道疲劳分析中存在的模糊现象进行研究和分析，并给出相应的通用隶属函数。结果表明：1）抛物线隶属函数较适用于供热直埋管道疲劳寿命的预测，归纳出适用于供热直埋管道 疲劳分析的通用隶属函数；2）证实了《区域供热手册》中提及的伯尔姆格林-米纳公式是模糊数学中通用隶属函数的一种；3）隶属函数参数的选取不同，对疲劳寿命预测精度有很大的影响。 再次，本文针对以区域热水锅炉房为热源的供热直埋管网事故情况进行问卷设计和调查，并采用SPSS对有效问卷进行数据描述和模型建立。结果表明：1）供热系统分为四个等级且其事故发生频次服从泊松分布；2）计算得出区域热水锅炉房为热源的输送干线、输配干线及分支线各系统，在 30 年的使用寿命内，事故发生的频次及在置信水平为 99%的置信区间；3）高频事故位置主要为弯头、补偿器、固定墩、阀门。 最后，本文按照室外计算温度和供热时长的不同，选取太原市、石家庄市、大同市、运城市为本次研究的四座代表性城市，并依次对四座城市的区域热水锅炉房运行期间输送干线的供水和回水运行温度进行采集和统计。按每天、每周和每月对循环温差进行划分，分别带入适用于疲劳寿命分析的通用隶属函数中进行计算分析在设计寿命30年内的最大温差循环次数。计算结果表明：1）区域热水锅炉房输送干线供回水管段的疲劳寿命循环次数区间由高到低的排序为大同市、太原市、石家庄市、运城市；2）疲劳寿命循环次数区间的排序与四座代表性城市的设计供热时长成正比且一一对应，但与这四座代表性城市的供热季室外平均温度成反比；3）针对供热室外计算温度越低且供热时长越长的集中供热城市，区域热水锅炉房输送干线的疲劳损伤越大，在今后的设计运行中，应加强供热直埋管网的安全性能。

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