【摘要】：隨著我國經(jīng)濟實力的快速提升,以及人們生活水平的不斷提高,冬季我國的供熱區(qū)域面積在逐年增大。集中供熱與傳統(tǒng)的區(qū)域性鍋爐供熱相比更加節(jié)能環(huán)保。我國的供熱事業(yè)朝著熱源綠色化、供熱集中化、運行安全化等方向不斷發(fā)展。國內的一些熱力管網(wǎng)主管的管徑達到甚至超過DN1400;管網(wǎng)工作壓力已經(jīng)達到2.5MPa。目前我國針對熱力管道設計及應力計算的主要參考依據(jù)為《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術規(guī)程》(CJJ/T81-98、CJJ/T81-2013),該規(guī)程的早期版本明確規(guī)定只適用于管徑小于或等于DN500的直埋供熱管道,更新版本后雖然針對的熱力管道尺寸有所增大,并補充了大管徑管道的相關技術參數(shù),但管網(wǎng)關鍵部位的管件應力分析并不全面,且我國幅員遼闊,地質條件多樣,在進行熱力管道受力分析時,應考慮不同的地質條件因素�，F(xiàn)有的計算方法缺少更為系統(tǒng)的大管徑熱力管道受力分析,不能為施工人員提供更為全面、合理的大管徑熱力管道設計方案。本文圍繞供熱管道管-土之間相互作用的復雜性及熱力管道受力因素的多樣性,針對大管徑多層結構供熱管道的應力特性進行研究。分析了大管徑熱力管道的應力特性及穩(wěn)定性特征;結合實際工況、現(xiàn)場勘察、土力學實驗為有限元計算提供參數(shù)支持;利用有限元軟件ABAQUS建立多層結構熱力管道熱-力耦合有限元模型,包擴熱力管道的直管段、變徑管段、彎頭管段,并分析管道的強度及穩(wěn)定性特征;考慮熱力管道敷設在砂礫地層內時的特殊工況,設計并進行室內光彈實驗。本文取得得主要研究成果如下:(1)利用Fourier級數(shù)法及彈性中心法,得到大管徑熱力管道在綜合考慮外部土壓力、內部運行壓力、管道自重、管道內部水重力等載荷分別作用時的熱力管道應力分析理論解。(2)應用彈塑性分析方法結合拉梅系數(shù)解,建立多層熱力管道在富水地層內工作時,熱力管道鋼管、保溫層、外護管的應力分布理論模型。(3)根據(jù)薄殼理論及穩(wěn)定性分析方法,利用能量法建立熱力管道鋼管在軸向受壓、徑向受壓、軸向及徑向雙向受壓情況下的穩(wěn)定性分析模型,計算得到鋼管失穩(wěn)時的臨界力。(4)結合實際工程、現(xiàn)場勘察報告及室內土力學實驗,得到熱力管道管周土體的基本力學參數(shù)。建立多層熱力管道的熱-力耦合有限元模型,分析得到熱力管道隨著管徑、埋深、內部壓力、運行溫度等參數(shù)變化時,熱力管道的應力分布規(guī)律。(5)從砂礫地層的非均勻、非連續(xù)及各向異性等特點出發(fā),設計光彈實驗,利用數(shù)字圖形處理技術分析熱力管道在砂礫地層內時,管-土之間的相互作用關系。引入“力鏈”的概念,用于砂礫地層內熱力管道的受力規(guī)律分析。為特殊地質條件下,熱力管道的受力分析提供了新的研究方法。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TU995.3
【圖文】：

小于或等于２．５ＭＰａ，在原規(guī)程的基礎上對摩擦力計算、管道局部穩(wěn)定驗算和逡逑固定墩設計進行了調整，完善了大口徑直埋熱水供熱管道的應力驗算及各指逡逑標要求，為相關領域的科研工作及工程施工提供了理論基礎，圖２－１為施工逡逑現(xiàn)場圖。逡逑邋邋Ｋｇ逡逑圖２－１熱力管道施工現(xiàn)場圖逡逑２．１．２國際供熱管道技術發(fā)展逡逑２０世紀８０年代初期，我國在北歐引進預制保溫管道直埋敷設技術的同逡逑時，也引入了相關的管道安裝技術設計方法以及受力計算及分析方法。從北逡逑歐資料看管道強度計算主要是按一維模型進行，把補償器和彎頭都簡化成自逡逑由端，作用在直埋敷設供熱管道上的荷載只考慮溫升引起的熱應力和土壤摩逡逑擦力，不考慮內壓作用。應力分析時，再把內壓作用考慮進去，用彈性分析逡逑法進行分析，不允許管道產(chǎn)生任何塑性變形。到了邋２０世紀９０年代，這些國逡逑家意識到，彈性分析方法沒有反映出鋼管塑性變形和破壞的關系，開始改變逡逑其設計理論和分析方法。應力分類法開始引入到供熱管道直埋敷設領域。逡逑《Ｄｉｓｔｒｉｃｔ邋Ｈｅａｔｉｎｇ邋Ｈａｎｄ邋Ｂｏｏｋ》［７］根據(jù)應力分類法

２．２．１供熱管道基本結構逡逑供熱管道是指由保護層、保溫層、管道緊密結合在一起的預制保溫管，逡逑如圖２－２所示。預制直埋保溫管從外到內主要由四部分組成。１保護殼：采用逡逑高密度聚乙烯或玻璃鋼，其中高密度聚乙烯具有較高的機械性能、耐磨損、逡逑抗沖擊性能好，化學性質穩(wěn)定，具有良好的抗腐蝕性和抗老化性，還可以進逡逑行焊接，便于施工；２保溫層：采用硬質聚氨酯泡沫材料，硬質聚氨酯泡沫逡逑塑料是由多元醇和異氫酸鹽兩種液體混合發(fā)泡固化形成的，其密度小、導熱逡逑系數(shù)低、保溫性能好、吸水性小，并且具有足夠的機械強度；３滲漏報警線：逡逑制造預制直埋保溫管時在靠近鋼管的保溫層中埋設有報警線，一旦發(fā)生事故逡逑導致滲漏，通過報警線的傳導，檢修工作人員可以快速定位事故位置；４工作逡逑管：根據(jù)輸送熱媒的介質要求分別采用有縫鋼管、無縫鋼管、雙面螺旋焊接逡逑鋼管［８－１３］。逡逑廣產(chǎn)逡逑＿／逡逑１邋一保護殼２—保溫層３—報警線４邋一工作管逡逑圖２－２預制保溫管剖面圖逡逑２．２．２供熱管道材料性能逡逑預制保溫管的生產(chǎn)執(zhí)行國家標準《高密度聚乙烯外護管硬質聚氨酯泡沫逡逑塑料預制直埋保溫管及管件》（ＧＢ／Ｔ邋２９０４７－２０１２）邋［１４］。其中高密度聚乙烯外逡逑殼的性能如表２－１所示

即管土相互作用。周圍地質體對管道的力可分為壓力和摩擦力兩類。對管周逡逑土壓力分布的研究是管道受力分析和設計的關鍵因素，一般將其分為垂直土逡逑壓力、側向土壓力和地基反力三部分，如圖２－４為一種典型的管周土壓力形逡逑式。管頂垂直土壓力數(shù)值的大小是管道受力分析中的一個重要問題，它在一逡逑定程度上控制著管道的截面面積，對于低壓管道影響尤為突出。目前常用的逡逑垂直土壓力計算方法有：土柱理論、普氏卸荷拱理論、馬斯頓理論、太沙基逡逑理論氣逡逑（１）垂直土壓力逡逑垂直土壓力Ａ逡逑地基反力心逡逑圖２－４典型管土壓力分布示意圖逡逑（ａ）邋土柱理論逡逑管道埋置在在砂、卵石、砂卵石等土層或者河底軟土層中時，由于不能逡逑－９－逡逑

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本文編號：2743041