鋼套鋼直埋蒸汽管道鋼質外護管計算方式

1鋼質外護管計算方式 概述

    關于帶有空氣層的保溫結構鋼套鋼直埋蒸汽管道鋼質外護管的剛度和穩定性要求，CJJ 104—2005《城鎮供熱直埋蒸汽管道技術規程》(以下簡稱《規程》)第6.2.2條指出^[1]：對帶空氣層的保溫結構，鋼質外護管的外徑與壁厚的比值不應大于100。根據這項要求，在已知鋼質外護管(采用螺旋縫鋼管)外徑的情況下，不難確定其zui小壁厚。如外徑為720mm的鋼質外護管zui小壁厚為8mm，外徑為377mm的鋼質外護管zui小壁厚為4mm，外徑為2020mm的鋼質外護管zui小壁厚為21mm。在上述3個例子中，只有Ф720×8是常用規格，在市場上容易買到。對于Ф377×4、Ф2020×21規格，由于前者壁厚太薄后者太厚，因此在市場上買不到，而且CJ/T3022—1993《城市供熱用螺旋縫埋弧焊鋼管》中也沒有這兩種規格。

    我們認為，《規程》要求外徑與壁厚的比值不大于100，在實踐中出現了一些問題。本文結合理論與實踐，對帶有空氣層的保溫結構鋼套鋼直埋蒸汽管道鋼質外護管，給出在滿足剛度和穩定性要求條件下的管壁zui小厚度及合理厚度的計算方法。

2 鋼質外護管徑向變形量計算^[2]

在地下取單位長度鋼質外護管，使單位長度管道產生zui大徑向變形的zui不利受力情況，為管道上部受到zui大集中荷載。為簡化計算，土壤對管道側面的約束力和管道的自重忽略不計，管溝底假設為剛性。根據計算彈性體定向變形量的莫爾定理舊1，管頂水平變形量△d_s的積分表達式為：

式中△d_s——管頂水平變形量，mm

    R——鋼管外半徑，mm

    E——鋼材的彈性模量，MPa

    δ——鋼管壁厚，mm

    F——作用在單位長度管道上的力，N/m

    θ——管壁任意點相對管中垂線的夾角，(°)

    M——管頂上的彎矩，N·mm

    由邊界條件△d_s=0得到：

    將式(2)代入管頂徑向變形量△d_p(單位為mm)的積分表達式，得到：

    將式(3)進行積分得到：

式中D——鋼管外徑，mm

    式(4)可寫成：

式中K——系數，mm

3 鋼質外護管壁厚的確定

《規程》第6.2.3條指出：鋼質外護管直徑的變形量不得大于鋼管外徑的3%。因此，由式(5)得：

因此，鋼質外護管的壁厚應滿足由式(7)。這時，確定鋼質外護管zui小壁厚的關鍵問題在于確定K，但真正有使用價值的K，很難通過試驗或理論計算方法確定，但可以從大量的實際工程和實踐中得到。例如，大多數人認為外徑為529mm的鋼質外護管的壁厚可選為6mm，這符合《規程》要求。壁厚選取5.5mm也符合《規程》要求，但多數人認為5.5mm太薄了。因此，在工程中幾乎沒有人使用Ф529×5.5或更薄的鋼質外護管，而選用規格為Ф529×6鋼質外護管，且經過*實踐證明是安全可靠的。因此，我們認為Ф529×6的規格可作為計算各種外徑鋼質外護管zui小壁厚的依據。將外徑529mm、壁厚6mm代入式(7)，計算得K=2.316×10^-5mm。即得到各種外徑鋼質外護管zui小壁厚δ_min的計算式：

式中δ_min——鋼質外護管zui小壁厚，mm

    約80%的人認為將規格為Ф529×6的鋼管作為鋼質外護管在工程中應用得不少，到目前為止沒有出現問題，已證明是安全可靠的。但從吊裝、運輸、堆放等環節不易出現變形和方便性考慮，感覺管壁再增厚一點更加合理，認為Ф529×7規格更為合理，并且在工程實踐中使用也很多。將外徑529mm、壁厚7mm代入式(7)，計算得K=3.677×10^-5mm。即得到各種外徑鋼質外護管合理壁厚δ_r(單位為mm)的計算式：

    由式(8)、(9)，可計算出不同外徑鋼質外護管的zui小壁厚與合理壁厚，見表1。

表1 不同外徑鋼質外護管的zui小壁厚與合理壁厚    mm

    本文計算過程及結果是以鋼管滿足剛度條件為前提的，而未考慮強度和穩定性。以強度或穩定性驗算鋼管的zui小壁厚比較簡單。在正常覆土深度(小于等于8m)情況下，根據經典板殼穩定性理論^[3]，經驗算，表1中的數據能滿足強度和穩定性要求，且富余量較大。