直埋管道 (2)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,一、无补偿直埋管道简介,优点：施工快、造价低（尤其对小管）、占地少、寿命长,局限：高温,1,构造,内管（钢）保温层外壳，工厂预制,聚氨酯,泡沫塑料,6080kg/m,3,，,抗压强度200,kPa,；,导热系数,0.027,W/,m.k,；,吸水性0.3,kg/m,2,外壳,高密度聚乙烯硬塑料：,960kg/m,3,，,线胀系数,=210,-4,m/m（,黄色外壳30年、黑色50年）,玻璃钢,1.82.0t/m,3,2,构造,3,真空绝热直埋管构造,真空层真空度,50Pa,4,真空绝热直埋构造,5,应力与应变,应力：单位面积所受到的力,=P/A,0,应变：单位长度上的形变,=,L/L,加载的四个过程,1：弹性阶段,op：,停止加载，拉力降为0，则变形完全消失。虎克定律,=E,线形,p：,比例极限；,e：,弹性极限，钢：,pe,重合,弹性极限应力,e,=200MPa,6,应力与应变,加载的四个过程,2：屈服阶段,esa,：,继续加载，应变增加很快，而应力增加很少，到,s,点后应力几乎不变，此后，应变继续增加。,屈服极限,s,=240MPa,在,sa,内，塑料变形大约为比例极限所产生的伸长量的1015倍,7,应力与应变,加载的四个过程,3：强化阶段,ab,：,到,a,点后，材料继开始硬化，材料恢复对变形的抵抗力，随着应变增大、应力也增大，到,b,点后应力到最大,强度极限,b,=400MPa，,表示材料所能承受的最大应力,8,应力与应变,加载的四个过程,4：局部变形阶段,bc,：,过,b,点后再加载，试件开始变细直至拉断,试件内部实际应力不断增大，,=P/A,0,，,随着试件变细、实际的,A,0,变小，,增大；但公式中的,A,0,未变、图中,值下降,基本许用应力,=,强度特性/安全系数,9,热应力,热应力：不同于机械应力，看不到变形,L=,t L,=,L/L= ,t,=E=E,t,热应力的大小与管长、管壁厚、管径大小无关，而仅与材料物性、温差有关,P= A,0,热应力所产生的推力与管壁厚、管径有关，与长度无关,10,无补偿直埋原理,如轴向热应力,，,可不设补偿器,如何减少热应力,如何确定,弹性分析法,管材处于弹性阶段，并利用予热方法扩大加热的温差范围,第四强度理论校验,安定分析法,允许管材有部分屈服塑性变形，但变形稳定后又安定于新的弹性阶段,第三强度理论校验,11,二、弹性分析法,原理,弹性阶段：热应力,=E,t,条件：, ,， E,t ,t ,/ E（1）,只要管道的升温不超过上值，即使管道两端固定、无任何补偿器，管道也能正常工作,例： ,=130MPa，E=2.110,5,MPa，,=1.210,-5,m/m,/ E=51.6,所以,t,必 ,51.6,12,无补偿原理,安装温度,t,y,=0，,则工作温度,t,max,=51.6，t,min,=-51.6,安装温度,t,y,=50，,则工作温度,t,max,=101.6，t,min,=-1.6，,在此温度范围内变化，管道可以无补偿,在,t,max,下，管道受到压应力，在,t,min,下，管道受到拉应力,13,2、无补偿受力分析安装,AB,管段处于外温，,B,自由移动,预热到,t,y,温度，,B,端膨胀，不计移动摩擦力,保持,t,y,温度，,B,端焊接,管道温度,t,下降，收缩，为不使,B,点移动，固定,B,点，产生拉应力,A,B,=0,A,B,=0,A,B,=0,0,=E,t,A,B,t,min,t,t,y,14,无补偿受力分析运行,运行：当,t,t,y,时，拉应力,直至,t=,t,y,再继续升温，管段被压缩，压应力,A,B,0,E(t,t,min,),= 0,t,min,t,t,y,A,B,t,t,y,A,B,0,t,y,t,t,max,|,E(t,y,-t,),E(t,y,-t,),15,小结,只要,t,min,t,t,max,，,即|,|L,f,，A,端固定、,C,端可伸缩，预热到,t,y,，,伸长量,L,m,=,t,y,L,m,，,则,A,点的摩擦力,如果在,K,点（摩擦长度,L,f,）,加入一次性补偿器，吸收热伸长量，则热应力分布就会处于安全状态,此时（,t,y,）,热伸长停止，摩擦力消失，,=0，,符合弹性分析原理,摩擦长度及一次性补偿器主要是考虑热伸长过程中的受力,A,B,C,L,f,L,f,K,A,B,C,L,f,L,f,K,L,m,23,5、考虑管段内外压力的影响,应力与应变,拉力作用下有轴向、纵向应变,轴向应变：,x,=,L,/,L,轴向应力：,x,=E,x,纵向应变：,y,=,y,/,y,在力,F,作用下，总同时产生,x,与,y,，,且,x,与,y,符号相反,对各向同性材料，有,y,=,x,， ,泊松系数，钢材0.3,当,x,0，,y,必为负值，即在,y,方向上产生收缩，因此该微元体与相邻微元体之间产生拉力,y,=E,y,=E,x,=,x, 0 （ ,x,0，,则,y,0， ,tan,0，,拉应力，,恒为正,P,n,D,n,S,S,tan,tan,径向应力：外壁受土壤压力，可忽略，且认为线性，,3,=,P,n,/,2，压应力,由于,D,n,/,S 1，|,tan,| ,3,|， ,3,忽略不计,轴向应力：由泊松定律知，环形应力引起轴向应力,ax,=,tan,，,恒为正,25,有温升、内压时的轴向应力,温升、无内压：,=,E,t ，,有正有负,有内压、无温升：,ax,=,tan,=,P,n,D,n,/(,2,S)，,恒为正,同时有温升、内压：,ax,=+,ax,=,E,t +,P,n,D,n,/(,2,S),26,6、实际工况下的无补偿设计,设计要求：|,ax,|,升温过程（,t,t,y,）：,管段压缩，到达,t,max,时,|,E（t,y,t,max,）+,P,n,D,n,/(,2,S)| ,在供热中|,E（t,y,t,max,）|,P,n,D,n,/(,2,S)|,则 |,E（t,y,t,max,）+,P,n,D,n,/(,2,S)| =,E（t,max,t,y,）,P,n,D,n,/(,2,S)0,得 ,E（t,max,t,y,）,P,n,D,n,/(,2,S) =,t,max,t,y,=,+,P,n,D,n,/(,2,S) / E,27,t,y,如：,P,n,=1.1MPa，3258,得：,t,max,t,y,=53.3,若：,t,max,=130，,则,t,y,76.7,28,t,min,降温过程,管段拉伸，拉应力，,E（t,y,t,min,）,ax,=,P,n,D,n,/(,2,S) ，,恒为正,设计要求 ,E（t,y,t,min,）+,P,n,D,n,/(,2,S) ,得：,t,min,=,t,y,-,-,P,n,D,n,/(,2,S) ,/,E,同例：,t,min,=26,29,强度理论校核,实际是三维受力，当用一维受力设计计算,第四强度理论:,eq,=,ax,2,+,tan,2,-,ax,tan,) ,2,实际中土壤并未完全固住管道，而释放部分应力，为扩大温度范围，用1.35 ,来设计计算,30,三、安定性分析,安定性：不发生塑性变形的连续循环，在少数反复加载后变形得到稳定，其随后材料呈现弹性特性，即材料在有限量的塑性变形后能安定在弹性阶段,31,受力分析,加载：从,O,到,A，,理想弹性阶段，应力达到屈服极限,s,，,应变,s,继续加载，进入屈服阶段，应力不变，应变到,o,，,但仍在屈服阶段，没到强化阶段,开始卸载，应力沿,BC,下降到,C,点。应力为0，但还有残余变形（,o,- ,s,),为消除残余变形，反向加压直至变形为0，到,D,点，此时产生残余压应力,D,0,s,D,A,B,D,s,C,o,32,受力分析,B,点应变,o,，,对应名义应力,o,，,反向压缩到变形为0时，对应一个名义残余应力（,0,- ,s,）,材料再次加载，应变从0到,s,，,应力从,D,点沿,DB,到,B,点，以后再加、卸载，应力沿,DB,变化，呈弹性阶段的特性，没有新的塑性变形，应力变化范围为,s, ,o,0,s,o,D,A,B,D,s,C,o,33,受力分析,按照弹性理论，初应力,0,（,名义应力）必须小于2,s,，,如,0,2,s,，,则会连续产生新的塑性变形，而会导致材料破坏,取,0,=,2,s,，,则,D,=,s,这样，在新的弹性阶段，允许应力变化范围成为02,s,34,受力分类,一次应力：管道受内压、持续外载而产生的应力,满足静力平衡条件产生的应力,没有自限性，即始终随着载荷的增加而增加，超过屈服、强度极限而破坏,一次应力用弹性分析法，即应力小于许用应力,弹性分析法,：,取弹性极限为,s,，,且,=,s,/ 1.5，,所以知,s,=1.5,，,设计,ax,35,受力分类,二次应力：管道变形受到约束而产生的应力，如无补偿产生的热应力,有自限性，即当局部屈服和小量塑性变形后，应力下降，变形得到满足。变形继续发展，应力不再增加,二次应力用安定性分析,安定性分析法：安定在弹性阶段后弹性极限成为,0,=,2,s,=3, ，,设计要求,ax,0,，,即,ax,3,36,设计原理,取安全系数0.8，则设计要求,ax,2.4,考虑内压影响，由前分析知：,t,max,t,y,=,+,P,n,D,n,/(,2,S) / E,用,t,o,代替式中,t,y,，,同时用,2.4,代替式中,得：,t,max,= t,0,+2.4,+,P,n,D,n,/(,2,S) / E,t,0,施工温度,37,设计原理,如上例:,3258，,则,t,max,= t,0,+125,若,P,n,=0，,t,max,= t,0,+123.8,若,t,0,0，,则安定分析法的,t,max,与弹性分析法的,t,max,相差无几，但安定分析法不需预热，使施工变得容易。,38,讨论,为什么地沟、架空不用无补偿理论,39,