大口径直埋供热管道90°弯头疲劳寿命的有限元分析

摘要

随着集中供热规模的不断扩大，大口径、高压力的直埋供热管道得到了普遍的应用，管径尺寸已经达到DN1400。但是国内没有针对大口径直埋管道明确的受力计算方法标准，尤其弯头，沿用DN500以下规程的设计理论，将其简化为一个点，仍采用弹性抗弯铰解析法进行应力计算，工程中大量设置固定墩和补偿器来保护弯管。本文通过对大口径直埋供热弯头的力学研究，在复杂的力的作用下，对位移、应力的精确计算，可以达到减少固定墩和补偿器的使用数量，减小工程造价，加快施工速度，增强管网的可靠性之目的。本文针对大口径直埋供热弯头，做了以下几个方面的工作：
　　 1. 对大口径直埋供热管道进行全面的受力分析：考虑管道以及介质本身的重量、地下水位的浮力、管顶覆土重力、地面交通载荷以及堆积载荷的作用，对大口径直埋供热管道的垂直荷载进行了理论分析，选择出更接近实际的管道受力计算公式。
　　 2. 简要介绍了弯头加工工艺，加工过程中弯头存在的缺陷：如壁厚不均、截面椭圆化。这些必然影响到弯头应力大小和应力分布情况，为有限元建立模型提供了理论依据。
　　 3. 进一步分析了国内DN500以下直埋技术规程关于弯头的应力计算方法，通过大量计算和对计算结果的分析表明，管网设计压力、埋深、循环工作温差、弯头的曲率半径和转角大小对直埋供热水平、竖向转角管段弯头的承载能力有不同程度的影响，其中循环工作温差、弯头的曲率半径和转角管段的折角的影响最为明显。对国外规范关于弯头的施工处理，以及疲劳寿命验算，进行了简单的介绍，这些作为有限元数值计算的理论依据。为有限元模型载荷施加、参数的选择，提供了理论依据。
　　 4. 利用有限元软件，对理想弯头、不等壁厚弯头、椭圆化弯头等，在内压荷载、位移荷载(温度荷载)等作用下进行了数值模拟。从模拟结果中，得出了各种影响因素对弯头最大当量应力的定量影响关系。利用曲线拟合方法，拟合出理想弯头的最大当量应力和内压荷载、位移荷载的关系式。以此为依据，通过弯头不等壁厚和椭圆化情况的修正，就能通过简单计算得到实际弯头的精确地数值计算结果。
　　 5. 最后通过工程实例，证明简化公式的合理性。现有DN500以下直埋技术规程继续应用于大口径直埋供热弯头的疲劳强度验算，过于保守，不能充分发挥出弯头的潜力。