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大口径直埋供热管道90°弯头疲劳寿命的有限元分析

王国伟  
【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。


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