發(fā)布時(shí)間：2020-07-05 19:44

【摘要】：隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)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(yùn)行安全化等方向不斷發(fā)展。國內(nèi)的一些熱力管網(wǎng)主管的管徑達(dá)到甚至超過DN1400;管網(wǎng)工作壓力已經(jīng)達(dá)到2.5MPa。目前我國針對熱力管道設(shè)計(jì)及應(yīng)力計(jì)算的主要參考依據(jù)為《城鎮(zhèn)直埋供熱管道工程技術(shù)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(bǔ)充了大管徑管道的相關(guān)技術(shù)參數(shù),但管網(wǎng)關(guān)鍵部位的管件應(yīng)力分析并不全面,且我國幅員遼闊,地質(zhì)條件多樣,在進(jìn)行熱力管道受力分析時(shí),應(yīng)考慮不同的地質(zhì)條件因素�，F(xiàn)有的計(jì)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(shè)計(jì)方案。本文圍繞供熱管道管-土之間相互作用的復(fù)雜性及熱力管道受力因素的多樣性,針對大管徑多層結(jié)構(gòu)供熱管道的應(yīng)力特性進(jìn)行研究。分析了大管徑熱力管道的應(yīng)力特性及穩(wěn)定性特征;結(jié)合實(shí)際工況、現(xiàn)場勘察、土力學(xué)實(shí)驗(yàn)為有限元計(jì)算提供參數(shù)支持;利用有限元軟件ABAQUS建立多層結(jié)構(gòu)熱力管道熱-力耦合有限元模型,包擴(kuò)熱力管道的直管段、變徑管段、彎頭管段,并分析管道的強(qiáng)度及穩(wěn)定性特征;考慮熱力管道敷設(shè)在砂礫地層內(nèi)時(shí)的特殊工況,設(shè)計(jì)并進(jìn)行室內(nèi)光彈實(shí)驗(yàn)。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(nèi)部運(yùn)行壓力、管道自重、管道內(nèi)部水重力等載荷分別作用時(shí)的熱力管道應(yīng)力分析理論解。(2)應(yīng)用彈塑性分析方法結(jié)合拉梅系數(shù)解,建立多層熱力管道在富水地層內(nèi)工作時(shí),熱力管道鋼管、保溫層、外護(hù)管的應(yīng)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(jì)算得到鋼管失穩(wěn)時(shí)的臨界力。(4)結(jié)合實(shí)際工程、現(xiàn)場勘察報(bào)告及室內(nèi)土力學(xué)實(shí)驗(yàn),得到熱力管道管周土體的基本力學(xué)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(nèi)部壓力、運(yùn)行溫度等參數(shù)變化時(shí),熱力管道的應(yīng)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(diǎn)出發(fā),設(shè)計(jì)光彈實(shí)驗(yàn),利用數(shù)字圖形處理技術(shù)分析熱力管道在砂礫地層內(nèi)時(shí),管-土之間的相互作用關(guān)系。引入“力鏈”的概念,用于砂礫地層內(nèi)熱力管道的受力規(guī)律分析。為特殊地質(zhì)條件下,熱力管道的受力分析提供了新的研究方法。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(chǔ)上對摩擦力計(jì)算、管道局部穩(wěn)定驗(yàn)算和逡逑固定墩設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整，完善了大口徑直埋熱水供熱管道的應(yīng)力驗(yàn)算及各指逡逑標(biāo)要求，為相關(guān)領(lǐng)域的科研工作及工程施工提供了理論基礎(chǔ)，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(shù)發(fā)展逡逑２０世紀(jì)８０年代初期，我國在北歐引進(jìn)預(yù)制保溫管道直埋敷設(shè)技術(shù)的同逡逑時(shí)，也引入了相關(guān)的管道安裝技術(shù)設(shè)計(jì)方法以及受力計(jì)算及分析方法。從北逡逑歐資料看管道強(qiáng)度計(jì)算主要是按一維模型進(jìn)行，把補(bǔ)償器和彎頭都簡化成自逡逑由端，作用在直埋敷設(shè)供熱管道上的荷載只考慮溫升引起的熱應(yīng)力和土壤摩逡逑擦力，不考慮內(nèi)壓作用。應(yīng)力分析時(shí)，再把內(nèi)壓作用考慮進(jìn)去，用彈性分析逡逑法進(jìn)行分析，不允許管道產(chǎn)生任何塑性變形。到了邋２０世紀(jì)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(guān)系，開始改變逡逑其設(shè)計(jì)理論和分析方法。應(yīng)力分類法開始引入到供熱管道直埋敷設(shè)領(lǐng)域。逡逑《Ｄｉｓｔｒｉｃｔ邋Ｈｅａｔｉｎｇ邋Ｈａｎｄ邋Ｂｏｏｋ》［７］根據(jù)應(yīng)力分類法

２．２．１供熱管道基本結(jié)構(gòu)逡逑供熱管道是指由保護(hù)層、保溫層、管道緊密結(jié)合在一起的預(yù)制保溫管，逡逑如圖２－２所示。預(yù)制直埋保溫管從外到內(nèi)主要由四部分組成。１保護(hù)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(jī)械性能、耐磨損、逡逑抗沖擊性能好，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的抗腐蝕性和抗老化性，還可以進(jìn)逡逑行焊接，便于施工；２保溫層：采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，硬質(zhì)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(dǎo)熱逡逑系數(shù)低、保溫性能好、吸水性小，并且具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度；３滲漏報(bào)警線：逡逑制造預(yù)制直埋保溫管時(shí)在靠近鋼管的保溫層中埋設(shè)有報(bào)警線，一旦發(fā)生事故逡逑導(dǎo)致滲漏，通過報(bào)警線的傳導(dǎo)，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(zhì)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(hù)殼２—保溫層３—報(bào)警線４邋一工作管逡逑圖２－２預(yù)制保溫管剖面圖逡逑２．２．２供熱管道材料性能逡逑預(yù)制保溫管的生產(chǎn)執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)《高密度聚乙烯外護(hù)管硬質(zhì)聚氨酯泡沫逡逑塑料預(yù)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(zhì)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，一般將其分為垂直土逡逑壓力、側(cè)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(gè)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(jì)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(shí)，由于不能逡逑－９－逡逑

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本文編號：2743041